WO2003067724A1 - Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication de celui-ci - Google Patents

Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication de celui-ci Download PDF

Info

Publication number
WO2003067724A1
WO2003067724A1 PCT/JP2003/001285 JP0301285W WO03067724A1 WO 2003067724 A1 WO2003067724 A1 WO 2003067724A1 JP 0301285 W JP0301285 W JP 0301285W WO 03067724 A1 WO03067724 A1 WO 03067724A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
emitting device
light emitting
semiconductor
semiconductor light
resonator
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/001285
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nobuyuki Otsuka
Shigeo Yoshii
Toshiya Yokogawa
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority to AU2003207090A priority Critical patent/AU2003207090A1/en
Priority to JP2003566952A priority patent/JP3613348B2/ja
Publication of WO2003067724A1 publication Critical patent/WO2003067724A1/ja
Priority to US10/718,581 priority patent/US7009216B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • H01S5/187—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL] using Bragg reflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/124—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers incorporating phase shifts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2201—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure in a specific crystallographic orientation

Definitions

  • the present invention relates to a surface-emitting semiconductor light-emitting device using a photonic crystal grown on a substrate, and a method for manufacturing the same.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 11-33619 Japanese Patent Laid-Open No. Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-9800 (U.S. Patent Application Publication No. 200202/1999), Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 63-209584 (U.S. Pat.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a conventional semiconductor light emitting device using a photonic crystal disclosed in Imada et al.
  • an n-type InP photonic crystal layer 52, an n-type InP lower cladding layer 53, and an InGaP A quantum well active layer 54 made of and a p-type InP upper cladding layer 55 are sequentially stacked.
  • a lower electrode 57 is provided on the back surface of the n-type InP substrate 51, and a circular upper electrode 56 having a diameter of about 350 / im is provided on the surface of the p-type InP upper cladding layer 55.
  • a plurality of circular concave portions 59 having a diameter of about 0.2 xm are periodically formed.
  • the n-type InP photonic crystal layer is formed so that a plurality of recesses 59 are formed.
  • 5 2 is grown on n-type InP substrate 1 while p-type InP upper cladding layer 55, quantum well active layer 54, and n-type InP lower cladding Layer 53 is grown in this order. Then, the n-type InP lower cladding layer 53 and the surface of the n-type InP photonic crystal layer 52 are brought into contact with each other and fused by annealing in a hydrogen atmosphere (see arrow 60). ).
  • the substrate on which the p-type InP upper cladding layer 55 was grown was removed, a circular upper electrode 56 was formed on the surface thereof, and a lower electrode was formed on the back surface of the n-type InP substrate 1.
  • the semiconductor light-emitting device configured as described above is manufactured.
  • the conventional semiconductor light emitting device has a problem that the threshold current is relatively large at 2 A.
  • the upper electrode 56 is a circular electrode, there is a problem that the plane of polarization of light has various directions. It is conceivable that the polarization planes may be made uniform by making the shape of the concave portions 59 elliptical, but it is very difficult to form a plurality of concave portions 59 having the same elliptical shape.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor light emitting device having a low threshold current and a controlled polarization plane of light, and a semiconductor light emitting device having the same. It is to provide a manufacturing method.
  • a semiconductor light emitting device has a semiconductor substrate, a lower cladding layer formed on the semiconductor substrate, and a resonator in a direction parallel to the semiconductor substrate.
  • a semiconductor laminate including an active layer and an upper cladding layer, a strip-shaped upper electrode connected to the upper cladding layer and extending in the direction of the resonator, and a lower connecting part connected to the lower cladding layer.
  • An electrode wherein the semiconductor laminate has a photonic crystal structure in which a plurality of concave portions or convex portions are periodically arranged in a resonator direction, and the photonic crystal structure has at least one A portion does not overlap with the upper electrode, and is formed so as to be aligned with the upper electrode in the direction of a resonator, and when a predetermined voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode, Emitting light from a region which does not overlap with the upper electrode in a plan view of the photonic crystal structure.
  • the concave portion or the convex portion is formed in the upper cladding layer.
  • the concave portion or the convex portion is formed over the upper cladding layer, the active layer, and the lower cladding layer.
  • the shape of the concave portion or the convex portion is cylindrical.
  • the shape of the concave portion or the convex portion is flat.
  • a width of the resonator is 2 m or more and 10 or less.
  • a length of the resonator is not less than 20 ⁇ m and not more than 50 m.
  • the resonator direction is ⁇ Preferably, it is the 1 1 0> direction or the 1 1 0> direction.
  • the concave portions or the convex portions are arranged in a square lattice shape, one arrangement direction of the concave portions or the convex portions is the same as the resonator direction, and the other arrangement direction is Preferably, it is orthogonal to the direction of the resonator.
  • an interval between adjacent concave portions or convex portions in the one arrangement direction is different from an interval between adjacent concave portions or convex portions in the other arrangement direction.
  • an interval between adjacent concave portions or convex portions in the one arrangement direction may be larger than an interval between adjacent concave portions or convex portions in the other arrangement direction.
  • a photonic crystal structure including a plurality of concave portions or convex portions arranged at predetermined intervals is formed around the semiconductor laminate.
  • the concave portion or the convex portion is formed over an entire upper surface of the semiconductor laminate.
  • a region not overlapping with the upper electrode in a plan view of the photonic crystal structure is a central portion of the semiconductor laminate.
  • the interval between some of the concave portions or the convex portions adjacent to each other in the cavity direction is smaller than the interval between the other concave portions or the convex portions. It is preferably larger by Z (effective refractive index X 4).
  • the semiconductor light emitting device a plurality of the semiconductor products are provided. It is preferable that the semiconductor device include a layer body, and the plurality of semiconductor laminates are arranged so as to cross each other.
  • the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention includes a semiconductor substrate, a lower cladding layer formed on the semiconductor substrate, and an active layer having a resonator in a direction parallel to the semiconductor substrate. And a semiconductor laminate including an upper cladding layer, an upper electrode connected to the upper cladding layer, and a lower electrode connected to the lower cladding layer.
  • a method of manufacturing a semiconductor light emitting device configured to emit light in a substantially vertical direction comprising: a step of epitaxially growing the semiconductor laminate on the semiconductor substrate; and etching the semiconductor laminate. Forming a photonic crystal structure composed of a plurality of concave portions periodically arranged in the resonator direction, and reducing the photonic crystal structure in plan view. Forming the stripe-shaped upper electrode extending in the resonator direction above the upper cladding layer so that the upper electrode does not overlap with a part of the photonic crystal structure and is arranged in the resonator direction. It is characterized by having.
  • the method for manufacturing a semiconductor light emitting device includes a semiconductor substrate, a lower cladding layer formed on the semiconductor substrate, and an active layer having a resonator in a direction parallel to the semiconductor substrate. And a semiconductor laminate including an upper cladding layer, an upper electrode connected to the upper cladding layer, and a lower electrode connected to the lower cladding layer, substantially perpendicular to the semiconductor substrate.
  • a method for manufacturing a semiconductor light emitting device configured to emit light in various directions comprising: epitaxially growing the semiconductor laminate on the semiconductor substrate; and forming the upper cladding layer of the semiconductor laminate.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a conventional semiconductor light emitting device using a conventional photonic crystal.
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a view taken along the line III-III in FIG.
  • FIG. 4 is a view taken along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, where (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) is (D) is a plan view showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a modified example of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 (a) shows the light wave number and energy in a region where a photonic crystal is not formed.
  • (B) is a diagram showing the relationship between the wave number and the energy of light in the photonic crystal structure.
  • FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention, wherein (a) shows the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view, and (b) to (d) are plan views showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, wherein (a) shows the light wave number of the photonic crystal structure in the resonator direction and It is a figure which shows the relationship with energy, (b) is a figure which shows the relationship between the wave number of the light of the photonic crystal structure in a direction orthogonal to the resonator direction, and energy.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a line A_A of (a). It is an arrow view.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams showing a configuration of a modified example of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 of the present invention, wherein FIG. 12A is a plan view showing the configuration, and FIG. -It is a view on arrow B.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a C-C of (a).
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a C-C of (a).
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a modified example of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 4 of the present invention, wherein (a) to (d) are plan views showing the configuration, and (e) is a plan view thereof.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in light intensity inside a stripe structure of a semiconductor light emitting device.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a cross section showing a configuration of a modification.
  • FIG. 1C is a diagram showing a change in light intensity inside the stripe structure of the semiconductor light emitting device.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, wherein (c) shows the ⁇ direction (resonator direction) of FIG. 15 (a). ) Between the wave number and energy of light in a photonic crystal structure FIG. 4B is a diagram showing the relationship, and FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the wave number and the energy of light in the photonic crystal structure in the i3 direction (the direction orthogonal to the resonator direction).
  • FIG. 17 is a diagram for explaining a semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) is a plan view thereof.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the operation principle of the semiconductor light emitting device, and FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, where (a) is a plan view showing the configuration of the modification, and (b) is another plan view. It is a top view which shows the structure of a modification.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) FIGS. 2A to 2D are plan views showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • FIGS. 20 (a) to (d) are plan views showing the configuration of another modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 21 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing a modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing a configuration of the modification; b) to (d) are plan views showing the configuration of the modified example.
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a view taken along line III-III of FIG. 2
  • FIG. 4 is a view taken along line IV-IV of FIG. Note that the semiconductor of the present embodiment The emission wavelength of the light emitting element was 1.3 m.
  • a stripe structure 10 is formed on the n-type InP substrate 1, a stripe structure 10 is formed.
  • This stripe structure 10 is composed of an n-type InP lower cladding layer 3 (thickness lOO nm), InGaAsP / InGaAsP quantum well active layer 4 (hereinafter simply referred to as active layer).
  • Layer 4 p-type InP upper cladding layer 5 (thickness: 50 nm) 6 are sequentially laminated.
  • the active layer 4 I n 0 of 5 pairs one. 9 G a 0 .iA s. . 2 ⁇ 0.
  • the P-type InP upper cladding layer 5 has a photonic crystal structure 2 obtained by arranging a plurality of cylindrical recesses 9 in a square lattice.
  • the “resonator direction” is a direction indicated as a direction in FIG. 2, that is, a longitudinal direction of a rectangular resonator.
  • a lower electrode 7 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 1.
  • the p-type InP upper cladding layer 5 is formed in the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 where the photonic crystal structure 2 is not formed in plan view.
  • a strip-shaped upper electrode 6 having a smaller width is formed in the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 where the photonic crystal structure 2 is not formed in plan view.
  • a strip-shaped upper electrode 6 having a smaller width is formed.
  • the photonic crystal structure 2 and the upper electrode 6 are arranged in the resonator direction in plan view.
  • the width W of the striped structure is increased to about 10 / zm, light can be confined in the photonic crystal structure 2 in the horizontal direction (width direction of the resonator), and output saturation is suppressed.
  • the light mode becomes unstable in regions other than the photonic crystal structure 2. Therefore, when the coupling coefficient of the photonic crystal structure 2 is relatively small, there is a limit in increasing the width W of the resonator. Under such circumstances, the width W of the resonator is preferably about 2 jLi m to about 10.
  • FIG. 5 is an explanatory view for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) to (b) d) is a plan view showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • the n-type InP lower cladding layer 3 (thickness lOOnm) with Si doped and the The active layer 4 (thickness 14 nm) and the Zn-doped p-type InP upper cladding layer 5 (thickness 50 nm) are subjected to known crystal growth methods such as MOVPE (Metalorganic vapor phase epitaxy). To grow epitaxy.
  • MOVPE Metalorganic vapor phase epitaxy
  • the AND one flop without intentionally adding an impurity to the active layer 4 is to suppress the absorption and absorption of free electrons valence band c then etched S i ⁇ 2 film
  • a plurality of columnar recesses 9 are formed by performing ICP dry etching in a circular shape using Cl 2 gas and CH 4 gas as a mask.
  • each recess 9 is formed so as to be arranged in a square lattice.
  • a region in which the plurality of concave portions 9 are periodically arranged becomes the photonic crystal structure 2.
  • the period of the concave portion 9 (the interval between adjacent concave portions) is substantially equal to the wavelength of light.
  • etching from the p-type InP upper cladding layer 5 to a part of the n-type InP substrate 1 is performed with a phosphoric acid-based etchant. I do.
  • a strip-shaped Cr / Pt / Au electrode is used as the upper electrode 6 on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5, and a lower electrode (shown in FIG.
  • the Au_Sn electrodes are deposited on the back surface of the n-type InP substrate 1 respectively.
  • the upper electrode 6 is formed by lift-off on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 so as to be aligned with the photonic crystal structure 2 in the resonator direction in plan view. You.
  • the plurality of recesses 9 are arranged in a square lattice shape, but as shown in FIG. 5 (d), of the arrangement directions of the recesses 9, the arrangement direction is arranged so as to match the resonator direction. ing.
  • the semiconductor light emitting device of the present embodiment can be manufactured.
  • the active layer 4 is etched as shown in FIG. It is preferable to stop the etching in the p-type InP upper cladding layer 5 so as not to prevent the etching. As a result, the damage to the active layer 4 can be suppressed, so that the luminous efficiency can be improved.
  • the active layer 4 passes through the active layer 4 to the n-type InP lower cladding layer 3 as shown in FIG. Etching is preferred. If the length of the photonic crystal structure 2 is relatively small, such as 10 or less, the effect of the photonic crystal is reduced. Therefore, in order to make it easy for light to couple with the photonic crystal, the n-type InP lower cladding layer 3 is set so that most of the light distribution is diffracted by the photonic crystal. Etch. In this case, although the damaged by dry etching, to suppress after etching with C 1 2 gas, by etching the realm damaged in CH 4 or SF 6 gas, the increasing size of the threshold current be able to.
  • the direction of the resonator is a ⁇ 110> or ⁇ 111> direction having excellent cleavage.
  • the direction of the resonator is not particularly limited.
  • the direction of the resonator be the ⁇ 110> or ⁇ _110> direction.
  • the “1 110> direction” means the ⁇ ⁇ > direction, and will be similarly described in the present specification and claims.
  • the length of the resonator is about 20 m to 50 m. This is because the light intensity diffracted and extracted in the photonic crystal structure 2 is small, so that the loss at the end face of the stripe structure 10 is suppressed by an end face coat, etc. This is because the light can be made extremely small as compared with the above, and sufficient light can be emitted to the outside even if the gain is reduced by using a short resonator.
  • the threshold current is about 20 A. When the length is set to 20 m, there is no current value serving as the threshold, and the light output is reduced to the injection current. It was found to increase in direct proportion.
  • the cylindrical concave portions are formed periodically as the photonic crystal, but may be cylindrical convex portions.
  • the reason why the concave portion is used instead of the columnar convex portion in the present embodiment is that the concave portion has a smaller volume for dry etching, so that damage due to etching can be suppressed. In addition, it is considered that there is a problem in strength when a convex portion is used.
  • the equivalent refractive index becomes smaller, so that the arrangement period can be made longer than that in the case of a concave part. There is a merit. Therefore, in the case where the wavelength of light becomes short, for example, 0.85 m, it is preferable to use a convex portion. The above point is the same in other embodiments described later.
  • a photonic crystal may be obtained by periodically forming a concave or convex portion having a prism shape instead of a column shape.
  • a current is caused to flow through the active layer 4 by applying a voltage between the upper electrode 6 and the lower electrode 7 by setting the upper electrode 6 to a positive potential and setting the lower electrode 7 to a negative potential.
  • electrons are injected from the n-type region of the active layer 4 to the p-type region, and holes are injected from the p-type region to the n-type region.
  • the injected electrons and holes cause stimulated emission near a pn junction formed at the interface between the n-type region and the p-type region of the active layer 4. As a result, light is generated in the active layer 4.
  • This light is amplified in the active layer 4 and diffracted in the photonic crystal structure 2 in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1.
  • light 8 is emitted from the photonic crystal structure 2 in a direction perpendicular to the n-type InP substrate 1.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 (a) shows the relationship between the wave number and energy of light in a region where a photonic crystal is not formed. It is a figure which shows a relationship, and (b) is a figure which shows the relationship between the wave number of light and energy in a photonic crystal structure.
  • FIG. 7 (a) shows the relationship between the energy and the wave number in a region where the light energy is small, and the relationship after being turned back by the periodic structure. As a result, the energy increases as the wave number decreases, and then turns back again, and the energy increases as the wave number increases. As a result, the perturbation by the photonic crystal does not occur, so that the wave number and the energy are continuously changing, and no photonic band gap is formed.
  • the spontaneous emission shows a Lorentz distribution.
  • a photonic crystal structure is perturbed by the photonic crystal, so that a photonic bandgap (PBG) is formed.
  • PBG photonic bandgap
  • No spontaneous emission can exist within this photonic bandgap.
  • spontaneous emission can exist above and below the low energy end of the photonic bandgap.
  • n eff indicates the equivalent refractive index of light
  • c indicates the speed of light.
  • k represents a coupling coefficient.
  • one end of the high energy of the photonic band gap and the wavelength of the spontaneous emission light match, but the low energy end of the photonic band gap and the wavelength of the spontaneous emission light match.
  • a similar result can be obtained even if they do.
  • there is no current value serving as a threshold value there is no current value serving as a threshold value, and the light output increases in accordance with the injected current.
  • the external differential quantum efficiency is about 60%. It was also found that when the injection current was 2 mA or more, the operating speed was 10 GHz. ⁇ Coherent light with the same frequency and phase was obtained from the light-emitting region. The polarization plane of the TE light is in the strip direction (resonator direction) of the strip structure. It was found that when a relatively strong current was injected in the form of a pulse, a super-emission phenomenon in which strong picosecond light emission was obtained was also obtained.
  • the semiconductor substrate is an InP crystal, but a GaAs, GAN, or GAP crystal may be used if the photonic crystal fabrication accuracy is improved.
  • the semiconductor substrate is of n-type, it may be of p-type. Since the resistance of an n-type crystal is generally lower, it is better to use a photonic crystal between the active layer and the n-type crystal because the current is more uniformly injected into the active layer. preferable.
  • the length (direction) of the photonic crystal structure is 2 in the case of the configuration shown in FIG. 3 (the recess 9 is formed only in the p-type InP upper cladding layer 5). / m or more, 102 m in the configuration shown in Fig. 6 (the recess 9 is formed from the upper cladding layer 5 of the p-type InP to the middle of the lower cladding layer 3 of the n-type InP). It is preferable to set the following. Therefore, When the length ( ⁇ direction) of the photonic crystal structure is 2 m or more and 10 zm or less, the configuration shown in FIG. 3 or the configuration shown in FIG. 6 may be used.
  • the second embodiment has a photonic crystal as in the first embodiment. However, the period of the photonic crystal in the resonator direction and the photonic crystal in the direction orthogonal to the resonator direction are provided. A semiconductor light emitting device configured to have a different period will be described.
  • FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a photonic crystal structure 2 is formed by arranging a plurality of recesses 9 in a square lattice.
  • the period of the concave portion 9 in the resonator direction (the interval between the adjacent concave portions 9) F1 is longer than the period F2 of the concave portion 9 in the direction orthogonal to the resonator direction.
  • Reference numeral 13 in the figure indicates a growth region when the p-type InP upper cladding layer is selectively grown as described later.
  • Other configurations of the semiconductor light emitting device of the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • a method of manufacturing the semiconductor light emitting device of the present embodiment configured as described above will be described.
  • a method for manufacturing a photonic crystal using dry etching has been described.
  • a method for manufacturing a photonic crystal using selective growth will be described.
  • a photonic crystal can be manufactured by any of a method using dry etching and a method using selective growth.
  • FIG. 9 is an explanatory view for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to Embodiment 2 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) to ( d) is a plan view showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • an n-type InP lower cladding layer 3 (thickness: 100 nm) with Si doped and an undoped active layer 4 are formed.
  • the epitaxially grown p-type InP upper cladding layer 5 (thickness: 14 nm) and Zn-doped p-type InP (thickness: 10 nm) is formed by a known crystal growth method such as the M ⁇ VPE method.
  • an Si 2 film 12 is formed on the p-type InP upper cladding layer 5.
  • a p-type InP upper cladding layer 5 (100 nm thick) is selectively grown using the SiO 2 film 12 as a selective growth mask.
  • the photonic crystal structure 2 is formed by forming a plurality of columnar concave portions 9 arranged in a lattice.
  • the concave portions 9 are arranged such that the period F1 of the concave portions 9 in the same direction as the resonator direction is longer than the period F2 of the concave portions 9 in the direction orthogonal to the length direction.
  • facets may be formed during selective growth. However, when the film thickness was as small as about 200 nm or less, no facets were formed.
  • a part of the n-type InP substrate 1 is etched with a phosphoric acid-based etchant to form a stripe structure.
  • 13 in the figure indicates a growth region when the p-type InP upper cladding layer is selectively grown as described above.
  • Fig. 9 (d) As shown in FIG. 7, a Cr / Pt / Au electrode is deposited as an upper electrode 6 on the surface of the p-type InP upper cladding layer 13 in the stripe structure 10.
  • an Au—Sn electrode is deposited on the back surface of the n-type InP substrate 1 as the lower electrode 7.
  • the upper electrode 6 is formed by lift-off on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 so as to be aligned with the photonic crystal structure 2 in the resonator direction in plan view. .
  • the semiconductor light emitting device of the present embodiment can be manufactured.
  • n-type InP lower cladding layer 3 is formed. part allowed to Epitakisharu grow to, n-type I n P lower clad layer 3 after which the selective growth mask S i ⁇ 2 film as described above, the active layer 4, and the p-type I n P upper clad Layer 5 may be selectively grown. In this case, facets are formed in the vicinity of the selective growth mask, so that the film thickness of each layer is reduced, the breakdown voltage is reduced, and a leakage current may be generated.
  • a step of etching and removing a region having a small thickness it is preferable to provide a step of etching and removing a region having a small thickness. Specifically, after the selective growth step is completed, a region having a small film thickness is etched with CH 4 or SF 6 gas. As a result, an increase in the threshold current can be prevented.
  • the columnar concave portion 9 is provided, but a columnar convex portion may be provided.
  • a columnar convex portion may be provided.
  • an isolated columnar crystal is selectively grown.
  • the growth of each projection progresses independently.
  • the growth rate is relatively high, facets are formed at the tips of the projections, so that there is a problem that they are not flat. Therefore, carefully select selective growth conditions, such as lowering the growth temperature.
  • a photonic crystal structure with columnar protrusions must be fabricated by optimizing the long conditions.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, wherein (a) shows the light wave number of the photonic crystal structure in the resonator direction and It is a figure which shows the relationship with energy, and (b) is a figure which shows the relationship between the wave number of the light of the photonic crystal structure in the direction orthogonal to the resonator direction, and energy.
  • the period ⁇ of the photonic crystal in the resonator direction, is set so that the wavelength of the spontaneous emission light and the high energy of the photonic band gap are matched.
  • the spontaneous emission light and the band edge are coupled (coupled) in the direction of the resonator, but the spontaneous emission light in the direction perpendicular to the direction of the resonator.
  • the wavelength will be located inside the photonic band gap. Therefore, spontaneous emission does not propagate in the direction perpendicular to the cavity direction.
  • seepage of light to the outside of the stripe structure is reduced, and the direction of the cavity and the direction perpendicular to the direction of the cavity are reduced. Oscillation at a lower threshold current can be realized as compared with the case where the photonic crystals have the same period in each direction.
  • the polarization plane can be controlled even when a columnar recess having a perfect circular cross section is used.
  • the TE mode is formed in the direction of the resonator, but there is a problem that the stability of the mode is reduced when the width of the stripe structure is increased.
  • the photonic crystal pitch is changed to form a photonic band gap in a direction perpendicular to the resonator direction, so that the TE mode cannot be present in this direction. This makes it possible to stably induce the TE mode in the resonator direction even when the width of the stripe structure is large.
  • a rectangular structure can be produced with good reproducibility because facets are formed during growth.
  • the protrusions when the protrusions are to be selectively grown, the protrusions having excellent shape uniformity can be manufactured by performing facet growth. Therefore, in the case where the projections are formed by selective growth by optimizing the growth conditions, a photonic crystal structure composed of prismatic projections can be easily obtained.
  • Embodiment 3 describes a semiconductor light emitting device that can prevent spontaneous emission light and stimulated emission light from leaking in the direction of the resonator by forming a reflection film that reflects light on the end surface of the stripe structure.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a line AA of (a). It is an arrow view. As shown in FIGS. 11 (a) and (b), an insulator multilayer thin film 11 made of alumina and titania is formed on both end surfaces of the strip structure 10.
  • the other configuration of the semiconductor light emitting device of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, And the description is omitted.
  • a photonic crystal structure 2 is created in the same manner as in the first embodiment.
  • an insulator multilayer thin film composed of alumina and titania is formed on both end surfaces. 1. Lay each one. After that, the elements are separated along the dry-etched grooves.
  • a high-reflection multilayer film is laminated by using the ECR sputtering method. A multilayer thin film 11 was formed.
  • the insulating multilayer thin film 11 is formed on a vertical surface, there is a problem that the thickness of the insulating thin film becomes non-uniform at the time of deposition of each layer, and the reflection loss may increase. Therefore, the following configuration is preferable.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams showing a configuration of a modified example of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 3 of the present invention, wherein FIG. 12A is a plan view showing the configuration, and FIG. FIG. In this modification, the reflecting mirror is formed by a photonic crystal instead of the insulating multilayer thin film.
  • the separation grooves 1 are formed in a stripe shape in plan view. 8 are formed.
  • the area 1 ⁇ ⁇ surrounded by this separation groove 18 The photonic crystal structure 2 and the upper electrode 6 are formed on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 in the inside.
  • a cylindrical reflecting recess 15 is formed in the p-type InP upper cladding layer 5 outside the region 17 so as to surround the region 17 surrounded by the separation groove 18 in a square lattice shape. Is formed.
  • the period of the reflecting concave portion 15 (the interval between adjacent reflecting concave portions 15) is shorter than the period of the concave portion 9 in any of the a direction and the; 3 direction.
  • the reflecting recesses 12 are formed from the upper cladding layer 5 to the middle of the lower cladding layer 3.
  • the area where the reflection concave portion 12 is formed in this manner becomes a reflection mirror area. The reason that the region 17 and the reflector region are separated by the separation groove 18 is to suppress the leakage of current from the region 17 to the reflector region.
  • a reflector is formed by forming an insulating multilayer thin film on the end face of the stripe structure as in the above-described example, only light in the same direction as the resonator direction can be reflected. There is no problem as a reflector.
  • the spontaneous emission light is controlled as in the present invention, there is a problem that the spontaneous emission light in a direction slightly deviated from the direction of the cavity cannot be sufficiently reflected.
  • the present modified example when about four periods of reflection concave portions 12 are provided on one side in the reflecting mirror region, a reflectivity of 98% is obtained, as shown in FIG. 12 (a).
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a CC line of (a). It is an arrow view.
  • a columnar recess 9 is formed in a square lattice over the entire p-type InP upper cladding layer 5 having a stripe shape. ing.
  • the other configuration of the semiconductor light emitting device of the present embodiment is the same as that of the third embodiment, so that the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the photonic crystal structure 2 is manufactured in the same manner as in the first embodiment.
  • the columnar concave portion 9 is formed over the entire upper surface of the strip structure 10 by dry etching.
  • a stripe-shaped upper electrode 6 is deposited on a part of the surface of the photonic crystal structure 2.
  • an insulating multilayer thin film 11 made of alumina and amorphous silicon is laminated on the both end faces.
  • the elements are separated along the dry-etched grooves. Thereby, the semiconductor light emitting device of the present embodiment shown in FIGS. 13 (a) and (b) can be obtained.
  • a thin Cr ZP is formed on the photonic crystal structure 2.
  • a metal foil made of Pt / Au is bonded to form an upper electrode.
  • the recess 9 is formed halfway in the lower cladding layer 3, the leakage current is remarkably increased due to the electrode material flowing around. Therefore, in this case, it is deposited thinly S i ⁇ 2 film on the surface of the photonic crystal structure 2, CH It is preferable to deposit the upper electrode 6 after removing only the flat surface of the SiO 2 film by ICP dry etching using F 3 .
  • the provision of the photonic crystal over the entire upper surface of the stripe structure 10 stabilizes the standing wave formed in the resonator even when the semiconductor light emitting device is modulated at high speed. This is because when a modulation current is injected into the semiconductor light emitting device, the refractive index changes due to the fluctuation of the carrier density inside the resonator, and the standing wave is disturbed in a region where no photonic crystal exists.
  • the photonic crystal structure 2 by forming the photonic crystal structure 2 over the entire upper surface of the strip structure 10, the light perturbation is forcibly synchronized with the period of the photonic crystal. . As a result, it was found that a stable emission mode could be obtained even at a modulation speed of about 40 GHz.
  • the length of the resonator (the active layer 4) becomes as large as 100 m or more, the light density in the resonator will be distributed in the direction of the resonator, and the operating speed will be limited. The problem arises. Therefore, in the present embodiment, it is preferable that the length of the resonator be 100 or less.
  • a part of the cylindrical recess 9 is replaced with a flat ffl portion 1 6 is preferable.
  • a plurality of flat recesses 16 are formed in the region where the upper electrode 6 is formed.
  • the evaluation index of the mode stability includes the stability of the polarization plane.
  • light is also emitted in the / 3 direction (the direction orthogonal to the resonator direction).
  • the polarization plane rotates due to the fluctuation of the light distribution in the three directions, and the polarization plane becomes unstable.
  • the perturbation of spontaneous emission light in the three directions does not occur, and only the wave traveling in the ⁇ direction (resonator direction) is coupled.
  • the threshold current increases.
  • the threshold current is about 0.1 mA, output light having a constant polarization plane can be obtained regardless of the light output intensity.
  • the upper electrode 6 is divided into two as shown in FIGS. 14 (b) and (c), and the center of the stripe structure 10 is formed. It is formed on both ends except the part. Thus, the central portion of the stripe structure 10 becomes a light output region.
  • Fig. 14 (e) it is desirable to extract light from the vicinity of the reflection surface where the light intensity in the resonator increases.
  • the light intensity sharply increases as approaching the end face, so that hole burning occurs and the polarization plane becomes unstable.
  • the region where the photonic crystal exists becomes a region with low light intensity.
  • the mode is stabilized because hole burning does not occur.
  • a flat recess 16 is provided over the entire upper surface of the striped structure as shown in FIG. 14 (d). You may make it.
  • the polarization plane is constant, but the output light cannot be sufficiently coupled with the light in the resonator. In addition, since the spontaneous emission light cannot be used effectively, Output drops.
  • the photonic crystal structure is constituted by the columnar or flat concave portions, but the photonic crystal structure may be constituted by the columnar or flat convex portions.
  • the concave portion is used instead of the convex portion.
  • the concave portion can suppress the damage due to dry etching, and moreover, the concave portion is preferable when the electrode is formed on the photonic crystal. This is because the surface of the crystal is continuous and becomes flatter to easily form an electrode.
  • the photonic crystal structure is constituted by the projections, the etching around the lower cladding layer and the selective growth of the active layer cause the photonic crystal structure to be formed around the projections.
  • the electrode metal may be vapor-deposited and a short circuit may occur, it is preferable to use a concave portion.
  • a semiconductor light emitting device that can further stabilize a light emitting mode by introducing a phase shift structure into a photonic crystal structure will be described.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view showing the configuration, and (b) is a cross-sectional view showing a configuration of a modification. (C) is a diagram showing a change in light intensity inside the stripe structure of the semiconductor light emitting device.
  • the upper electrode 6 is formed on the upper surface of both ends of the upper clad layer 5, but not at the center of the upper clad layer 5. Therefore, in the case of the present embodiment, light is emitted from the center of the stripe structure 10 (resonator).
  • L be the distance between adjacent recesses 9 in the direction of the resonator located in a region other than the center of the resonator.
  • the interval between the concave portions 9 adjacent to each other in the direction of the resonator located at the center of the resonator is increased to L + ⁇ 4 n.
  • ⁇ is the wavelength of light and ⁇ is the equivalent refractive index.
  • a ⁇ 4 ⁇ shift structure such a structure in which the interval between the concave portions 9 is increased by ⁇ 4 ⁇ is referred to as a ⁇ 4 ⁇ shift structure.
  • the other configuration of the semiconductor light emitting device of the present embodiment is the same as that of the third embodiment, so that the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the // 4 ⁇ shift structure in the resonator direction the leftward and rightward waves are force-coupled, and as shown in Fig. 15 (c), the center of the resonator The light intensity in the part will increase.
  • a stronger light output can be obtained by arranging the light emitting region at the center of the resonator.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining a light emitting state of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 (c) is a direction (resonator direction) in FIG. 15 (a).
  • FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the wave number and energy of light of the photonic crystal structure in FIG. 4B, and FIG. It is a figure showing a relation.
  • the light energy obtained by force-pulling the leftward and rightward waves has lattice defects originating from ⁇ ⁇ 4 ⁇ shift as shown in Fig. 16 (a).
  • the light energy level corresponding to the defect order is formed in the photonic band gap.
  • the energy corresponding to the lattice defect is n eff ⁇ ⁇ .
  • ⁇ ⁇ ⁇ . Therefore, this energy is within the photonic band gap energy. It will correspond to the energy of the mind.
  • the photonic crystal structure 2 may be composed of the columnar concave portions 9 as described above, but may be composed of the flat plate-shaped concave portions 16 as shown in FIG. 15 (b). .
  • the threshold current is large, the intensity of light output is large, and the stability of the polarization plane is high.
  • a stripe structure having a photonic crystal structure is used.
  • a semiconductor light-emitting element which can further stabilize a light-emitting mode by being provided orthogonally will be described.
  • FIGS. 17A and 17B are views for explaining a semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein FIG. 17A is a plan view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating the operation principle of the light emitting element, and FIG. 4C is a diagram illustrating the behavior of an electric field.
  • B and the stripe structure 10A and the stripe structure 10B are arranged in a direction orthogonal to the direction and in three directions (a direction orthogonal to the ⁇ direction).
  • the upper electrode 6 is not formed in the region B where the stripe structure 10 ⁇ and the stripe structure 10B intersect, and the upper electrode 6 is formed in the other region A.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor light emitting device, and (b) 3) to 3 (d) are plan views showing the configuration of the semiconductor light emitting device.
  • the n-type InP lower clad layer 3 thickness 100 undoped active layer 4 (14 nm thick) and Zn doped p-type InP upper cladding layer 5 (50 nm thick) by known crystal growth methods such as MOV PE. Growth (Fig. 19 (a)).
  • the S i ⁇ 2 film as an etching mask, a plurality of cylindrical recesses 9 by ICP dry etching in a circular shape using the C 1 2 gas and CH 4 gas formation I do.
  • the recesses 9 are formed so as to be arranged in a square lattice, and the recesses 9 are arranged so as to form a cross.
  • a region in which the plurality of concave portions 9 are arranged has a photonic crystal structure.
  • the upper electrode 6 is formed by lift-off in order to form the upper electrode 6 on the surface of the p-type InP upper cladding layer 5 except for the crossing portion of the cross.
  • a stripe structure 10A and a stripe structure 10B orthogonal to the stripe structure 10A are produced.
  • the semiconductor light emitting device of the present embodiment can be manufactured.
  • the vertical axis represents energy
  • the horizontal axis represents wave number.
  • the mode is localized in the resonator direction, so that the degeneracy is released and the high energy edge is split into two bands.
  • the region B degenerates to one energy level because the direction J and the direction j3 are symmetric.
  • the light in region A is incident on region B
  • the light A1 on the low energy side of the region A cannot be propagated because it is located in the band gap of the region B, and is in a radiation mode.
  • the light A 2 on the high energy side is amplified because it passes through the region B.
  • the region B 'obtained by adjusting the diffraction efficiency ⁇ and the period ⁇ of the region B. If the light A 2 in the region A matches the energy at the high energy end of the region B, the light A in the region A Only 2 is amplified and extracted outside.
  • the behavior of the electric field in this case is as shown in Fig.
  • semiconductor light emitting device of the present embodiment can apply various configurations as described above with reference to FIGS. 14 (a) to 14 (d) in the third embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, where (a) is a plan view showing the configuration of the modification, and (b) is another diagram. It is a top view which shows the structure of a modification.
  • the photonic crystal structure in the region A of the stripe structures 10A and 10B is constituted by the flat concave portions 16.
  • the photonic crystal structure in the region A of the stripe structure 1OA is constituted by the columnar concave portions 9, and the photonic crystal in the region A of the stripe structure 10B is formed.
  • the tonic crystal structure is constituted by a plate-shaped recess 16.
  • FIGS. 20 (a) to (d) are plan views showing the configuration of another modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention.
  • a square lattice-shaped concave portion 19 is formed in a region B to be a light output region in plan view.
  • a rectangular tubular concave portion 20 is formed in the area B in a nested manner also in a plan view. It has been found that even in such a configuration, the rotation of the pointing vector is suppressed.
  • the photonic crystal structure whose emission wavelength is in the photonic band gap is the same as that of the resonator (stripe structures 10A and 10B). It is formed around. In this case, there is an advantage that it is not necessary to form a highly reflective film on the end face of the resonator.
  • FIG. 21 shows a manufacturing method of such a modified example.
  • FIG. 21 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing a modification of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 6 of the present invention, wherein (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the modification, (D) through (d) are plan views showing the configuration of the modified example.
  • the n-type InP lower clad layer 3 (thickness 100 nm), undoped active layer 4 (14 nm thick) and Zn doped p-type InP upper cladding layer 5 (50 nm thick) by known crystal growth methods such as M ⁇ ⁇ ⁇ VPE.
  • Epitaxial growth (Fig. 21 (a)).
  • a plurality of flat recesses 16 and columnar recesses 9 are formed side by side so as to form a cross.
  • columnar concave portions 9 are arranged in a square lattice in the cross-shaped crossing region, and a flat plate-shaped concave portion 16 is provided in the other region. Are arranged at intervals of.
  • a columnar reflecting recess 21 is formed in a square lattice so as to surround the cross-shaped region.
  • a separation groove 22 is formed so as to surround a cross-shaped region constituted by a flat recess 16 and a cylindrical recess 9. Then, as shown in FIG. 21 (d), an upper surface electrode is deposited in a region other than the cross-shaped cross region.
  • the photonic crystal in the present embodiment and its modification described above is configured by arranging the concave portions in a square lattice or a rectangular lattice, as shown in FIG. 20 (d).
  • three stripe structures 10 A, 10 B, and 10 C are provided, and each of the stripe structures 10 A, 10 B, and 10 C intersect at an angle of 60 °. Will be. Therefore, the intersection area has a hexagonal shape.
  • it is triple degenerate because there are three resonator directions. Therefore, the structure of the photonic band gap becomes complicated, and there is a problem that the design is difficult.
  • spontaneous emission light from most of the light emitting region can be used, there is an advantage that a high output light emitting element can be realized.
  • the semiconductor light emitting device according to the present invention is useful as a semiconductor light emitting device used in an optical communication system or the like. Further, the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention is useful as a method for manufacturing a semiconductor light emitting device used for an optical communication system or the like.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

明細書 半導体発光素子およびその製造方法 〔技術分野〕
本発明は、 基板上に成長したフォトニック結晶を用いた面発光型の半 導体発光素子およびその製造方法に関する。 '
〔技術背景〕
従来のフォ トニック結晶を用いた半導体発光素子としては、 例えば特 開平 1 1— 3 3 0 6 1 9号公報、 特開 2 0 0 1— 3 0 8 4 5 7号公報、 特開 2 0 0 1 — 9 8 0 0号公報 （米国特許出願公開第 2 0 0 2ノ 0 1 0 9 1 34号明細書） 、 特開昭 6 3— 2 0 5 9 8 4 (米国特許第 4 8 4 7
8 44号明細書） 、 および特開 2 0 0 2 - 0 6 2 5 5 4号公報などに開 示されている。
また、 同様に 「今田他 ： アプライ ドフィジックスレターズ 7 5 ( 1 9
9 9 ) 3 1 6 (Appl. Phys. Lett. 7 5 ( 1 9 9 9 ) 3 1 6 ) 」 にも開 示されている。 第 1図は、 この 「今田他」 に開示されているフォ トニッ ク結晶を用いた従来の半導体発光素子の構成を示す斜視図である。 第 1 図に示すとおり、 n型 I n P基板 5 1上には、 n型 I n Pフォ トニック 結晶層 5 2、 n型 I n P下部クラッ ド層 5 3、 I n G a A s Pからなる 量子井戸活性層 5 4、 p型 I n P上部クラッ ド層 5 5が順に積層されて いる。 また、 n型 I n P基板 5 1の裏面には下部電極 5 7が、 p型 I n P上部クラッ ド層 5 5の表面には直径が 3 5 0 /i m程度の円形の上部 電極 5 6がそれぞれ形成されている。 さらに、 n型 I n Pフォ トニック 結晶層 5 2には直径が 0. 2 xm程度の円形の凹部 5 9が周期的に複数 形成されている。
複数の凹部 5 9が形成されるように n型 I n Pフォ トニック結晶層 5 2を n型 I n P基板 1上で成長させる一方で、 他の基板上に p型 I n P上部クラッ ド層 5 5、 量子井戸活性層 5 4、 および n型 I n P下部ク ラッド層 5 3をこの順で成長させる。 そして、 n型 I n P下部クラッ ド 層 5 3と n型 I n Pフォトニック結晶層 5 2の表面とを接蝕させ、 水素 雰囲気中でァニールすることにより融着させる （矢符 6 0参照） 。 その 後、 p型 I n P上部クラッ ド層 5 5を成長させた基板を除去し、 その表 面に円形の上部電極 5 6を形成するとともに、 n型 I n P基板 1の裏面 に下部電極 5 7を形成することにより、 前述したように構成された半導 体発光素子を製造する。
以上のようにして製造された半導体発光素子において、 上部電極 5 6 と下部電極 5 7 との間に電流を流すと、 閾値電流 2 A以上で誘導放出が 確認され、 発振波長が 1 . 3 の単一モードが得られた。 また、 発光 は上部電極 5 6の外周部 5 8より得られた。
このように、 従来の半導体発光素子では閾値電流が 2 Aと比較的大き いという問題があった。
また、 上部電極 5 6が円形の電極であるために、 光の偏波面がいろい ろな方向を持つという問題があった。 なお、 凹部 5 9の形状を楕円形に することにより偏波面を揃えることも考えられるが、 形状がそろった楕 円形状の凹部 5 9を複数形成することは非常に困難である。
また、 同一の偏波面を有する光であっても、 2つの安定する発光モー ドが存在することにより、 発光波長が不安定になるという問題があつた, さらに、 前述したように結晶同士を融着させることにより半導体発光 素子を製造しているが、 大口径の基板全面を融着させることは困難であ るという問題があった。
〔発明の開示〕
本発明はこのような事情に鑑みてなされており、 その目的は、 閾値電 流が低く、 しかも光の偏波面が制御された半導体発光素子、 およびその 製造方法を提供することにある。
この目的を達成するために、 本発明に係る半導体発光素子は、 半導体 基板と、 前記半導体基板上に形成された、 下部クラッ ド層、 前記半導体 基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラ ッ ド層を含む半導体積層体と前記上部クラッ ド層に接続され、 共振器方 向に延びるス トライプ状の上部電極と、 前記下部クラッ ド層に接続され る下部電極とを備え、 前記半導体積層体は、 複数の凹部または凸部が共 振器方向に周期的に配列されたフォ トニック結晶構造を有し、 前記フォ トニック結晶構造は、 平面視において、 少なくとも一部が前記上部電極 と重ならず、 しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように形成されて おり、 前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合 に、 前記フォ トニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重なら ない領域から光を放射する。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 は、 前記上部クラッ ド層に形成されていることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 は、 前記上部クラッ ド層、 前記活性層、 および前記下部クラッ ド層に亘 つて形成されていることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 の形状が円柱状であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 の形状が平板状であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記共振器の幅は 2 m以上 1 0 以下であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記共振器の長さは 2 0 x m以上 5 0 m以下であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記共振器方向は < 1 1 0 >方向またはく— 1 1 0 >方向であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 は四角格子状に配列されており、 前記凹部または凸部の一の配列方向が 共振器方向と同一であり、 他の配列方向が共振器方向と直交しているこ とが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記一の配列方向に おける隣り合う凹部または凸部間の間隔と、 前記他の配列方向における 隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異なることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記一の配列方向に おける隣り合う凹部または凸部間の間隔は、 前記他の配列方向における 隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べて大きいことが好ましい。 また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記半導体積層体の 両端面には反射膜が形成されていることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記半導体積層体の 周囲には所定の間隔で配列された複数の凹部または凸部からなるフォ トニック結晶構造が形成されていることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記凹部または凸部 は前記半導体積層体の上面の全面に亘つて形成されていることが好ま しい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 前記フォ トニック結 晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域は、 前記半導体 積層体の中央部であることが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において共振器方向において隣 り合う凹部または凸部のうちの一部の凹部または凸部間の間隔が、 他の 凹部または凸部間の間隔と比べて、 波長 Z (実効屈折率 X 4 ) だけ大き いことが好ましい。
また、 前記発明に係る半導体発光素子において、 複数の前記半導体積 層体を備え、 前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置 されていることが好ましい。
また、 本発明の半導体発光素子の製造方法は、 半導体基板と、 前記半 導体基板上に形成された下部クラッ ド層、 前記半導体基板に対して平行 な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラッ ド層を含む半導 体積層体と、 前記上部クラッ ド層に接続される上部電極と、 前記下部ク ラッ ド層に接続される下部電極とを備え、 前記半導体基板に対して略垂 直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製造 方法であって、 前記半導体基板上に前記半導体積層体をェピタキシャル 成長させる工程と、 前記半導体積層体にエッチングを施すことにより、 共振器方向に周期的に配列された複数の凹部から構成されるフォ ト二 ック結晶構造を形成する工程と、 平面視において、 前記フォ トニック結 晶構造の少なく とも一部とは重ならず、 しかも前記フォ トニック結晶構 造と共振器方向で並ぶように、 共振器方向に延びるス トライプ状の前記 上部電極を前記上部クラッ ド層上部に形成する工程とを有することを 特徴とする。
さらに、 本発明の半導体発光素子の製造方法は、 半導体基板と、 前記 半導体基板上に形成された下部クラッ ド層、 前記半導体基板に対して平 行な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラッ ド層を含む半 導体積層体と、 前記上部クラッ ド層に接続される上部電極と、 前記下部 クラッ ド層に接続される下部電極とを備え、 前記半導体基板に対して略 垂直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製 造方法であって前記半導体基板上に前記半導体積層体をェピタキシャ ル成長させる工程と、 前記半導体積層体の前記上部クラッ ド層上に結晶 を選択成長させることにより、 共振器方向に周期的に配列された複数の 凹部から構成されるフォトニック結晶構造を形.成する工程と、 平面視に おいて、 前記フォ トニック結晶構造の少なくとも一部とは重ならず、 し かも前記フォ トニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、 共振器方向 に延びるス トライプ状の前記上部電極を前記上部クラッ ド層上部に形 成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の前記目的、他の目的、特徴、 及び利点は、添付図面参照の下、 以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
〔図面の簡単な説明〕
第 1図は、 従来のフォ トニック結晶を用いた従来の半導体発光素子の 構成を示す斜視図である。
第 2図は、 本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の構成を示す 平面図である。
第 3図は、 第 2図の I I I一 I I I線矢視図である。
第 4図は、 第 2図の I V— IV線矢視図である。
第 5図は、 本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の製造方法を 説明するための説明図であって、 （ a ) はその半導体発光素子の構成を 示す断面図、 （b ) から （d ) はその半導体発光素子の構成を示す平面 図である。
第 6図は、 本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の変形例の構 成を示す断面図である。
第 7図は、 本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の発光状態を 説明するための説明図であり、 （ a ) はフォ トニック結晶が形成されて いない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、 ( b ) はフォ 卜ニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係 を示す図である。
第 8図は、 本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の構成を示す 平面図である。
第 9図は、 本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の製造方法を 説明するための説明図であって、 （ a ) はその半導体発光素子の構成を 示す断面図、 （b) から （d) はその半導体発光素子の構成を示す平面 図である。
第 1 0図は、 本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の発光状態 を説明するための説明図であり、 （ a) は共振器方向におけるフォト二 ック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、 （b) はその共振器方向と直交する方向におけるフオ トニック結晶構造の光の 波数とエネルギーとの関係を示す図である。
第 1 1図は、 本発明の実施の形態 3に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a) はその構成を示す平面図、 （b) は （ a) の A_ A線矢視図である。
第 1 2図は、 本発明の実施の形態 3に係る半導体発光素子の変形例の 構成を示す図であって、 （ a) はその構成を示す平面図、 （b) は （ a) の B— B線矢視図である。
第 1 3図は、 本発明の実施の形態 4に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a) はその構成を示す平面図、 （b) は （ a) の C一 C線矢視図である。
第 1 4図は、 本発明の実施の形態 4に係る半導体発光素子の変形例の 構成を示す図であって、 （ a)から （d)はその構成を示す平面図、 （ e) はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示 す図である。
第 1 5図は、 本発明の実施の形態 5に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a) はその構成を示す平面図、 （b) は変形例の構成 を示す断面図、 （ c ) はその半導体発光素子のス トライプ構造内部にお ける光強度の変化を示す図である。
第 1 6図は、 本発明の実施の形態 5に係る半導体発光素子の発光状態 を説明するための説明図であり、 （ c ) は第 1 5図 （ a) の α方向 （共 振器方向） におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの 関係を示す図であり、 （b) は同じく i3方向 （共振器方向と直交する方 向） におけるフォ トニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を 示す図である。
第 1 7図は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子について説 明するための図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成を示す平 面図、 （b) はその半導体発光素子の動作原理を示す図、 （ c ) は電界 の挙動を示す図である。
第 1 8図は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の変形例の 構成を示す図であって、 （ a) はその変形例の構成を示す平面図、 （b) は他の変形例の構成を示す平面図である。
第 1 9図は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の製造方法 を説明するための説明図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成 を示す断面図、 （b) から （d) はその半導体発光素子の構成を示す平 面図である。
第 2 0図 （ a) から （d) は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発 光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。
第 2 1図は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の変形例の 製造方法を説明するための説明図であって、 （ a) はその変形例の構成 を示す断面図、 （b) から （d) はその変形例の構成を示す平面図であ る。
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下、 本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明す る。
(実施の形態 1 )
第 2図は本発明の実施の形態 1 に係る半導体発光素子の構成を示す 平面図である。 また、 第 3図は第 2図の III一 III 線矢視図であり、 第 4図は第 2図の IV— IV 線矢視図である。 なお、 本実施の形態の半導体 発光素子の発光波長は 1. 3 mとした。
第 2図から第 4図に示すように、 n型 I n P基板 1上にはストライプ 構造 1 0が形成されている。 このストライプ構造 1 0は、 n型 I n P下 部クラッ ド層 3 (厚み l O O nm) 、 I n G a A s P/ I n G a A s P 量子井戸活性層 4 (以下、 単に活性層 4という） 、 p型 I n P上部クラ ッ ド層 5 (厚み 5 0 nm) 6が順に積層されて構成されている。 ここで、 活性層 4は、 5ペア一の I n0.9G a0.iA s。.2Ρ0.8ノ リァ層 （厚み 1 0 n m、 組成波長 1. 1 1111、 格子歪 0 %) 、 I no.9G a QJA s Q.5 P Q.5井戸 層 （厚み 4 nm、 量子井戸波長 1. 3 zm、 格子歪 1 %) 、 および導波 路 （ガイ ド） 層からなる歪量子井戸構造である。 ストライプ構造 1 0の 端面は劈開されており、 その結果活性層 4は n型 I n P基板 1に対して 平行な方向の共振器として機能する。 また、 P型 I n P上部クラッ ド層 5には、 複数の円柱状の凹部 9を四角格子状に配列することによって得 られたフォ トニック結晶構造 2が形成されている。 そして、 隣り合う凹 部 9の 2つの配列方向 （第 2図中のひ方向および ;3方向） のうち、 何れ か一方の方向 （第 2図では 方向） と共振器方向とがー致している。 なお、 本明細書において、 「共振器方向」 とは、 第 2図において 方 向として表記されている方向のことであって、 すなわち、 矩形の共振器 の長手方向を意味する。
n型 I n P基板 1の裏面には下部電極 7が形成されている。 一方、 p 型 I n P上部クラッ ド層 5の表面であって、 平面視において、 フォ ト二 ック結晶構造 2が形成されていない領域には、 p型 I n P上部クラッ ド 層 5と比べて幅の狭いス卜ライプ状の上部電極 6が形成されている。 こ こで、 フォ トニック結晶構造 2と上部電極 6とは平面視において共振器 方向に並べられている。
なお、 活性層 4、 すなわち共振器の幅が 2 程度と狭い場合には外 部微分量子効率が上昇することになるが、 注入電流が増加するにしたが つて出力光強度が飽和してくる。 一方、 このス トライプ構造の幅 Wを 1 0 /zm程度まで広げた場合、 フォ トニック結晶構造 2内では横方向 （共 振器の幅方向） にも光を閉じこめることができるので出力飽和は抑制で きるが、 フォ トニック結晶構造 2以外の領域では光のモードが不安定に なる。 したがって、 フォ トニック結晶構造 2の結合係数が比較的小さい 場合には、共振器の幅 Wの増大には限界がある。 このような事情により、 共振器の幅 Wは 2 jLi mから 1 0 程度が好ましい。
次に、 以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造 方法について説明する。
第 5図は本発明の実施の形態 1に係る半導体発光素子の製造方法を 説明するための説明図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成を 示す断面図、 （b) から （d) はその半導体発光素子の構成を示す平面 図である。
第 5図 （ a) に示すように、 n型 I n P基板 1上に、 S i をド一ピン グした n型 I n P下部クラッ ド層 3 (厚み l O O nm) 、 アンド一プの 活性層 4 (厚み 1 4 n m) 、 および Z nをドーピングした p型 I n P上 部クラッ ド層 5 (厚み 5 0 n m) を MO V P E (Metalorganic vapor phase epitaxy) 法などの公知の結晶成長方法によりェピタキシャル成 長させる。 ここで、 活性層 4に意図的に不純物を添加せずアンド一プと したのは、 荷電子帯の吸収および自由電子の吸収を抑制するためである c 次に、 S i 〇 2膜をエッチングマスクとして、 C l 2ガスおよび CH4 ガスを用いて円形状に I C P ドライエッチングすることにより複数の 円柱状の凹部 9を形成する。 この場合、 第 5図 （b) に示すとおり、 各 凹部 9は四角格子状に並ぶように形成する。 これらの複数の凹部 9が周 期的に配列された領域がフォ トニック結晶構造 2となる。 この凹部 9の 周期（隣り合う凹部間の間隔）は光の波長と同程度である。したがって、 本実施の形態の場合では 1. 3 ^ 111程度である。 次に、第 5図（ c ) に示すように、 ストライプ構造を形成するために、 p型 I n P上部クラッ ド層 5から n型 I n P基板 1の一部までを燐酸 系エツチャントでエッチングする。そして、第 5図（d ) に示すように、 上部電極 6 としてス トライプ状の C r / P t / A u電極を p型 I n P 上部クラッ ド層 5の表面に、 下部電極 （図示せず） として A u _ S n電 極を n型 I n P基板 1の裏面にそれぞれ蒸着させる。 この場合、 上部電 極 6は、 p型 I n P上部クラッ ド層 5の表面上に、 平面視においてフォ トニック結晶構造 2と共振器方向に並ぶように形成させるために、 リフ トオフにより成形される。
前述したように複数の凹部 9は四角格子状に配列されるが、 第 5図 ( d ) に示すように、 凹部 9の配列方向のうちひ方向は共振器方向と一 致するように配列されている。
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することが できる。
なお、 前述したように凹部 9を形成する場合であって、 フォトニック 結晶構造 2の長さ （ ひ方向） を 2 z m以上とするときは、 第 3図に示す ように、 活性層 4をエッチングしないように p型 I n P上部クラッ ド層 5中でエッチングを停止することが好ましい。 これにより、 活性層 4に 及ぼすダメージを抑制することができるので、 発光効率を向上させるこ とが可能となる。
また、 フォ トニック結晶構造 2の長さ （ a方向） が 1 0 m以下のと きは、 第 6図に示すように、 活性層 4を通り越して n型 I n P下部クラ ッ ド層 3までエッチングすることが好ましい。 このようにフォ トニック 結晶構造 2の長さが 1 0 以下と比較的小さい場合には、 フォ トニッ ク結晶による効果が小さくなつてしまう。 そのため、 光がフォ トニック 結晶とカップリングしやすくするために、 光の分布の大部分がフォ トニ ック結晶による回折を受けるように n型 I n P下部クラッ ド層 3まで エッチングする。 この場合、 ドライエッチングによるダメージを受ける ことになるが、 C 1 2ガスでエッチングした後に、 ダメージを受けた領 域を C H 4または S F 6ガスでエッチングすることにより、閾値電流の増 大を抑制することができる。
本実施の形態の場合、 共振器方向は劈開性に優れた < 1 1 0 >または <一 1 1 0〉方向とする。 しかし、 ドライエッチングにより共振器を形 成する場合には特に共振器方向に限定はない。 ただし、 エッチング端面 の垂直性を良好にするためには共振器方向を < 1 1 0 >または < _ 1 1 0 >方向とすることが好ましい。なお、 ここでく一 1 1 0 >方向とは、 <Γι ο〉方向を意味しており、 本明細書および請求の範囲においては同 様に表記することにする。
また、 共振器の長さは 2 0 mから 5 0 m程度とする。 これは、 フ オ ト二ック結晶構造 2内で回折されて取り出される光強度が小さいた めに、 端面コートなどによりストライプ構造 1 0の端面における損失を 抑制させることによって光損失を通常のレーザと比べて極めて小さく することができ、 短共振器にして利得が低下したとしても十分な光を外 部に放出させることができるためである。 ここで共振器の長さを 5 0 mにした場合には閾値電流が 2 0 A程度となり、 同じく 2 0 mにし た場合には閾値となる電流値は存在せず、 光出力が注入電流に正比例し て増加することが分かった。
本実施の形態では、 フォ トニック結晶として円柱状の凹部を周期的に 形成しているが、 円柱状の凸部であってもよい。 本実施の形態で円柱状 の凸部ではなく凹部としたのは、 凹部の方がドライエッチングする容積 が小さいためにエッチングによるダメージを抑制させることができる ためである。 また、 凸部とした場合には強度に問題があると考えられる。 一方、 円柱状の凸部とした場合には、 等価屈折率が小さくなるため、 凹 部の場合と比べて配列する際の周期を大きくすることができるという メリッ トがある。 したがって、 光の波長が例えば 0 . 8 5 mなどのよ うに短くなる場合には凸部とした方が好ましい。 以上の点については後 述する他の実施の形態においても同様である。
なお、 円柱状ではなく角柱状の凹部または凸部を周期的に形成するこ とによってフォ トニック結晶を得るようにしてもよい。 しかし、 形状の そろった角柱を作製することは円柱の場合と比べて困難である。 このこ とは断面が楕円である円柱状の凹部または凸部の場合も同様で、 楕円率 が大きくなるほど形状のばらつきが大きくなる。 したがって、 本実施の 形態では断面が真円の円柱状とした。 以上の点については後述する他の 実施の形態においても同様である。
以上のように製造された半導体発光素子の動作について説明する。 上 部電極 6と下部電極 7との間に、 上部電極 6を正電位とし、 下部電極 7 を負電位とした電圧を印加することにより、 活性層 4に電流を流す。 そ の結果、 活性層 4の n型領域から p型領域へ電子が注入され、 p型領域 から n型領域へホールが注入される。 注入された電子とホールとは、 活 性層 4の n型領域と p型領域との界面に形成される p— n接合の近傍 で誘導放出を起こす。 これにより活性層 4で光が発生する。 この光は、 活性層 4内で増幅されると共に、 フォ トニック結晶構造 2において、 n 型 I n P基板 1に垂直な方向に回折される。 その結果、 フォ トニック結 晶構造 2から n型 I n P基板 1に垂直な方向に光 8が放出される。
第 7図は本発明の実施の形態 1 に係る半導体発光素子の発光状態を 説明するための説明図であり、 （ a ) はフォ トニック結晶が形成されて いない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、 ( b ) はフォ トニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係 を示す図である。
第 7図 （ a ) に示すように、 フォ トニック結晶が形成されていない領 域においては、 波数が大きくなるにしたがってエネルギーが直線的に上 昇する。 なお、 第 7図 （ a ) では、 光のエネルギーが小さい領域におけ るエネルギーと波数との関係であって、 周期構造により折り返された後 の関係を示している。 そのため、 波数が減少するにしたがってエネルギ 一が上昇し、 その後再び折り返され、 波数が大きくなるにしたがってェ ネルギ一が上昇している。 その結果、 フォ トニック結晶による摂動が起 こらないため、 波数とエネルギーとは連続的に変化しており、 フォ ト二 ックバンドギャップは形成されない。 また、 第 7図 （ a ) において光強 度を横軸として波長を縦軸とした場合、 自然放出光はローレンツ分布を 示している。
一方、第 7図（ b ) に示すように、 フォ トニック結晶構造においては、 フォ トニック結晶による摂動が起きるため、 フォ トニックパンドギヤッ プ （P B G ) が形成される。 このフォトニックバンドギャップ内では自 然放出光は存在することができない。 これに対して、 フォトニックパン ドギヤップの高エネルギー端以上および低エネルギー端以下において は自然放出光が存在することができる。 フォ トニックパンドギャップの 中心エネルギーに対応する光の角速度 ω。は、 フォ トニック結晶の周期 (隣り合う凹部 9間の間隔） を Λとした場合、 n e f f · ω。/ c = ττ Ζ Λの関係で表される。 ここで n e f f は光の等価屈折率を、 cは光速をそ れぞれ示している。 フォ トニックバンドギャップの大きさ Δ ωは、 Δ ω = 2 k c Z n e f f となる。 ここで、 kは結合係数を表している。 フォ ト ニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光のエネルギーと がー致した場合には、 自然放出光を発生する電子と光との関係に加えて フォ トニック結晶の摂動による関係が付加されるため、 電子と光との遷 移確率も摂動を受ける。 その結果、 第 7図 （b ) に示すように、 自然放 出光とフォ トニックバンドギャップとがカップリングして超放射によ る高い自然放出光強度が得られる。 この場合の自然放出光の半値幅は 0 , 2 n m以下であり、 発光強度は約 3 0倍程度となる。 なお、 第 7図 （ b ) においてはフォ トニックバンドギャップの高エネ ルギ一端と自然放出光の波長とがー致しているが、 フォ トニックバンド ギヤップの低エネルギー端と自然放出光の波長とがー致している場合 でも同様の結果が得られる。 ただし、 フォ トニック結晶を構成する複数 の凹部が四角格子状に配列されている場合には、 フォ トニックバンドギ ャップの高エネルギー端と自然放出光の波長とを一致させる方が、 パン ド間隔が大きく離れているために縮退の影響が無いという利点がある。 本実施の形態の半導体発光素子の場合、 特に閾値となる電流値は存在 せず、 注入電流に応じて光出力が増加する。 波長が 1 . 3 mの場合、 外部微分量子効率は 6 0 %程度となることを明らかにした。 また、 注入 電流が 2 m A以上の場合、 動作速度は 1 0 G H z となることがわかった < 発光領域から同一周波数で位相のそろったコヒーレント光が得られる ため、 レンズの N Aに対応する値までスポッ トを絞り込むことができる, また、 T E光の偏波面はス トライプ構造のス トライプ方向 （共振器方 向） となる。 比較的強い電流をパルス状に注入した場合においては、 ピ コ秒の強い発光が生ずる超放射現象も得られることがわかった。
なお、 本実施の形態では半導体基板を I n P結晶としているが、 フォ トニック結晶の作製精度が上がれば、 G a A s 、 G a N、 または G a P 結晶を使用することも可能である。 また、 半導体基板は n型としている が p型であってもよい。 n型結晶の方が一般的には抵抗値が低いため、 活性層までの間にフォ トニック結晶がある方を n型にする方が、 電流が 均一に活性層に注入されることになるので好ましい。
前述したように、 フォトニック結晶構造の長さ （ひ方向） は、 第 3図 に示す構成の場合 （凹部 9が p型 I n P上部クラッ ド層 5内にのみ形成 されている） では 2 / m以上、 第 6図に示す構成の場合 （凹部 9が p型 I n P上部クラッ ド層 5から n型 I n P下部クラッ ド層 3の途中まで 形成されている）では 1 0 2 m以下とすることが好ましい。 したがって、 このフォ トニック結晶構造の長さ （ α方向） が 2 m以上 1 0 z m以下 の場合では第 3図に示す構成でもよく、 第 6図に示す構成でもよいこと になる。 どちらが好ましいのかは、 ドライエッチングによるダメージの 大きさおよびエッチング表面の形状の平坦性などに依存する。 例えば、 ドライエッチングの際に、 C 1 2ガスで平坦性の良好な表面を形成し、 C F 4ガスでダメージ領域を除去することによって、 第 6図に示す構成 にすることが可能となる。
(実施の形態 2 )
実施の形態 2では、 実施の形態 1の場合と同様にフォ トニック結晶を 有しているが、 共振器方向におけるフォ トニック結晶の周期と、 その共 振器方向と直交する方向におけるフォ トニック結晶の周期とが異なる ように構成された半導体発光素子について示す。
第 8図は本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の構成を示す 平面図である。 第 8図に示すように、 四角格子状に複数の凹部 9を配列 させることによってフォトニック結晶構造 2が形成されている。 ここで. 共振器方向における凹部 9の周期 （隣り合う凹部 9間の間隔） F 1は、 その共振器方向と直交する方向における凹部 9の周期 F 2と比べて長 くなつている。 また図中の 1 3は p型 I n P上部クラッ ド層を後述する ように選択成長させたときの成長領域を示している。 なお、 本実施の形 態の半導体発光素子のその他の構成については実施の形態 1 の場合と 同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
次に、 以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造 方法について説明する。 なお、 実施の形態 1ではドライエッチングを用 いてフォ トニック結晶を作製する方法について説明したが、 本実施の形 態では選択成長を用いてフォ トニック結晶を作製する方法について説 明する。 もちろん、 本実施の形態でも実施の形態 1の場合と同様にして ドライエッチングを用いた方法でも作製することは可能である。 本明細 書において示すすべての実施の形態において、 ドライエッチングを用い る方法および選択成長を用いる方法の何れの方法によつてもフォ ト二 ック結晶を作製することが可能である。
第 9図は本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の製造方法を 説明するための説明図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成を 示す断面図、 （b) から （d) はその半導体発光素子の構成を示す平面 図である。
第 9図 （ a) に示すように、 n型 I n P基板 1上に、 S i をドーピン グした n型 I n P下部クラッ ド層 3 (厚み 1 0 0 nm) 、 アンドープの 活性層 4 (厚み 1 4 n m) 、 および Z nをドーピングした p型 I n P上 部クラッ ド層 5 (厚み 1 0 nm) を M〇 V P E法などの公知の結晶成長 方法によりェピタキシャル成長させる。 また、 p型 I n P上部クラッ ド 層 5上に S i 〇 2膜 1 2を形成する。
次に、 第 9図 （ b ) に示すように、 S i O 2膜 1 2を選択成長マスク として p型 I n P上部クラッ ド層 5 (厚み 1 0 0 nm) を選択成長させ て、 四角格子状に配列された複数の円柱状の凹部 9を形成することによ つてフォトニック結晶構造 2を形成する。 この場合、 共振器方向と同一 の方向における凹部 9の周期 F 1が、 その長さ方向と直交する方向にお ける凹部 9の周期 F 2と比べて長くなるように凹部 9を配列する。
なお、 以上のようにしてフォ トニック結晶構造 2を形成する場合にお いて、選択成長のときにファセッ トが形成されるおそれがある。 しかし、 膜厚が 2 0 0 nm以下程度のように小さい場合にはファセッ トは形成 されなかった。
次に、 第 9図 （ c ) に示すように、 ストライプ構造を形成するために n型 I n P基板 1の一部に至るまでを燐酸系エツチャントでエツチン グする。 なお、 図中の 1 3は前述したように p型 I n P上部クラッ ド層 を選択成長させたときの成長領域を示している。 そして、 第 9図 （d) に示すように、 上部電極 6として C r / P t / A u電極をストライプ構 造 1 0における p型 I n P上部クラッ ド層 1 3の表面に蒸着させる。 ま た、 図示しないが、 下部電極 7 として A u— S n電極を n型 I n P基板 1の裏面に蒸着させる。 この場合、 上部電極 6は、 p型 I n P上部クラ ッ ド層 5の表面上に、 平面視においてフォ トニック結晶構造 2と共振器 方向に並ぶように形成させるために、 リフトオフにより成形される。
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することが できる。
ところで、 第 6図に示すように凹部 9が n型 I n P下部クラッ ド層 3 の途中まで形成されている構成を得るためには、 まず n型 I n P下部ク ラッ ド層 3の一部までェピタキシャル成長させておき、 その後に前述し たように S i 〇 2膜を選択成長マスクとして n型 I n P下部クラッ ド層 3、 活性層 4、 および p型 I n P上部クラッ ド層 5を選択成長させるよ うにすればよい。 この場合、 選択成長マスクの近傍ではファセッ トが形 成されるために各層の膜厚が薄くなつて耐圧が低下し、 リ一ク電流が生 ずるおそれがある。 そこで、 膜厚が小さい領域をエッチングして除去す る工程を設けることが好ましい。 具体的には、 選択成長工程が終了した 後に C H 4または S F 6ガスで膜厚が小さい領域をエッチングする。 これ により、 閾値電流の増大を防止することができる。
なお、 本実施の形態では円柱状の凹部 9を設けているが、 円柱状の凸 部を設けるようにしてもよい。 しかし、 凸形状の場合では、 孤立した円 柱状の結晶を選択成長させることになる。 この場合、 各凸部の成長は独 立に進行する。 その結果、 各凸部の高さがそれぞれ異なる事態が容易に 生ずるため、 選択成長時の安定性の確保という観点から問題があった。 また、 成長速度が比較的大きい場合においては凸部の先端にファセッ ト が形成されることになるため、 平坦にならないという問題があった。 そ こで、 選択成長条件を注意深く選択し、 例えば成長温度の低下などの成 長条件の最適化により円柱状の凸部を有するフォ トニック結晶構造を 作製しなければならない。
以上のようにして製造された半導体発光素子において、 実施の形態 1 の場合と同様に、 上部電極 6 と下部電極 7との間に電圧を印加すると活 性層 4において誘導放出が起きる。 これにより活性層 4で光が発生する < この光は、 活性層 4内で増幅されると共に、 フォ トニック結晶構造 2に おいて、 n型 I n P基板 1に垂直な方向に回折される。 その結果、 フォ トニック結晶構造 2から n型 I n P基板 1 に垂直な方向に光が放出さ れる。
第 1 0図は本発明の実施の形態 2に係る半導体発光素子の発光状態 を説明するための説明図であり、 （ a ) は共振器方向におけるフォ ト二 ック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、 （b ) はその共振器方向と直交する方向におけるフォ トニック結晶構造の光 の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
本実施の形態の場合、 共振器方向においては、 フォ トニック結晶の周 期 Λを、 自然放出光の波長とフォ トニックバンドギャップの高工ネルギ —端とがー致するように設定してある。 ここで、 共振器方向と直交する 方向においては、 共振器方向と同一の方向の場合と比べてフォ トニック 結晶の周期 Λを小さく してあるため、 n e i f ' / c = 7c / Aより、 第 1 0図 （ a ) および （ b ) に示すようにフォトニックバンドギャップの 中心エネルギー （ωと等価） は増加することになる。
第 1 0図 （ a ) および （b ) に示すように、 共振器方向では自然放出 光とバンド端とがカップリング （結合） しているが、 共振器方向と垂直 な方向では自然放出光の波長はフォ トニックバンドギャップ内部に位 置することになる。 したがって、 共振器方向と垂直な方向には自然放出 光が伝播しないことになる。 その結果、 ストライプ構造の外部への光の 染み出しが減少するため、 共振器方向およびその共振器方向と垂直な方 向におけるフォ 卜ニック結晶の周期が等しい場合と比べて、 低閾値電流 での発振を実現することができる。
また、 本実施の形態の半導体発光素子では、 断面が真円の円柱状の凹 部を用いたとしても偏波面の制御が可能となる。 実施の形態 1において は、 共振器方向に T Eモードが形成されることを示したが、 このストラ ィプ構造の幅が大きくなるとモードの安定性が低下するという問題が あった。 本実施の形態の場合、 フォトニック結晶のピッチを変化させて 共振器方向に垂直な方向においてフォ トニックパンドギヤップを形成 することによって、 この垂直な方向においては T Eモードが存在できな くなる。 これにより、 ストライプ構造の幅が大きい場合であっても、 安 定して共振器方向に T Eモードを誘起することが可能になる。
ところで、 選択成長をさせる場合では、 成長時にファセッ トが形成さ れるために矩形の構造を再現性良く作製することができる。 特に、 凸部 を選択成長させるような場合には、 ファセッ ト成長を行うことにより形 状均一性に優れた凸部を作製することができる。 したがって、 成長条件 を最適化することにより凸部を選択成長で作製する場合には、 角柱状の 凸部からなるフォトニック結晶構造を容易に得ることができる。
(実施の形態 3 )
実施の形態 3では、 ストライプ構造の端面に光を反射させる反射膜を 形成することによって自然放出光および誘導放出光が共振器方向で漏 れることを防止することができる半導体発光素子について示す。
第 1 1図は本発明の実施の形態 3に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a ) はその構成を示す平面図、 （b ) は （ a ) の A— A線矢視図である。 第 1 1図 （ a ) および （b ) に示すように、 ストラ ィプ構造 1 0の両端面にはアルミナとチタニアとからなる絶縁体多層 薄膜 1 1が形成されている。 なお、 本実施の形態の半導体発光素子のそ の他の構成については実施の形態 1の場合と同様であるので同一符号 を付して説明を省略する。
次に、 以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造 方法について説明する。 '
まず、 実施の形態 1の場合と同様にしてフォ トニック結晶構造 2を作 製する。 次に、 ストライプ構造の両端面をドライエッチングで垂直に成 形した後、 第 1 1図 （ a ) および （b ) に示すように、 その両端面にァ ルミナとチタニアとからなる絶縁体多層薄膜 1 1 をそれぞれ積層させ る。 その後、 ドライエッチングした溝に沿って素子を分離する。 本実施 の形態においては、 絶縁体多層薄膜 1 1をストライプ構造 1 0の垂直な 端面に堆積 （デポ） させるために、 E C Rスパッ夕法を用いて高反射多 層膜を積層させることによって絶縁体多層薄膜 1 1を形成した。 絶縁体 多層薄膜 1 1の層数を 4とした場合、 9 8 %の反射率を得た。 このよう な高反射の絶縁体多層薄膜 1 1を形成する とにより、 ストライプ構造 1 0の端面における反射損失を大きく低減することが可能となる。 これ により、 実施の形態 1にも示したとおり、 長さ m程度の短共振器 において閾値電流を 2 0 m程度とすることが可能となる。
しかしながら、 垂直な面に絶縁体多層薄膜 1 1を形成した場合、 各層 のデポ時において絶縁体薄膜の膜厚が不均一となり、 反射損失が増大す るおそれがあるという問題があった。 そこで、 次のような構成とするこ とが好ましい。
第 1 2図は本発明の実施の形態 3に係る半導体発光素子の変形例の 構成を示す図であって、 （ a ) はその構成を示す平面図、 （b ) は （ a ) の B— B線矢視図である。 この変形例では絶縁体多層薄膜に代えてフォ トニック結晶により反射鏡を構成している。
第 1 2図 （ a ) および （ b ) に示すように、 p型 I n P上部クラッ ド 層 5から n型 I n P基板 1に至るまで、 平面視でストライプ状になるよ うに分離溝 1 8が形成されている。 この分離溝 1 8で囲まれた領域 1 Ί 内の p型 I n P上部クラッ ド層 5の表面にはフォ トニック結晶構造 2 および上部電極 6が形成されている。 一方、 分離溝 1 8で囲まれた領域 1 7を取り囲むように、 当該領域 1 7の外側の p型 I n P上部クラッ ド 層 5には円柱状の反射用凹部 1 5が四角格子状に形成されている。 ここ で、 a方向および ;3方向の何れの方向においても、 反射用凹部 1 5の周 期 （隣り合う反射用凹部 1 5間の間隔） は、 凹部 9の周期よりも短くな つている。 この反射用凹部 1 2は、 上部クラッ ド層 5から下部クラッ ド 層 3の途中に至るまで形成されている。 このようにして反射用凹部 1 2 が形成されている領域が反射鏡領域となる。 領域 1 7 と反射鏡領域とを 分離溝 1 8により分離させているのは、 領域 1 7から反射鏡領域への電 流のリークを抑制するためである。
前述した例のようにストライプ構造の端面に絶縁体多層薄膜を形成 して反射鏡を構成した場合には、 共振器方向と同一の方向の光しか反射 することができないため、 レ一ザ用の反射鏡としては問題ない。 しかし、 本発明のように自然放出光を制御する場合には、 共振器方向からわずか にずれた方向の自然放出光を十分に反射できないという問題があった。 これに対して、 本変形例の場合、 反射鏡領域において反射用凹部 1 2を 片側に 4周期程度設けた場合には 9 8 %の反射率が得られ、 第 1 2図 ( a ) に示すように同じく片側に 2周期設けた場合であっても 9 5 %程 度の反射率が得られることがわかった。 その結果、 実施の形態 1にも示 したとおり、 長さ 2 0 m程度の短共振器において閾値電流のないレ一 ザ発振を実現することが可能となる。
(実施の形態 4 )
実施の形態 4では、 ストライプ構造の全体に亘つてフォトニック結晶 構造を形成することにより、 反射面における光の位相の揺らぎによって モードが不安定になることを防止することができる半導体発光素子を 示す。 第 1 3図は本発明の実施の形態 4に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a ) はその構成を示す平面図、 （b ) は （ a ) の C— C線矢視図である。
第 1 3図 （ a ) および （b ) に示すように、 ストライプ形状をなして いる p型 I n P上部クラッ ド層 5の全体に亘つて円柱状の凹部 9が四 角格子状に形成されている。 なお、 本実施の形態の半導体発光素子のそ の他の構成は実施の形態 3の場合と同様であるので同一符号を付して 説明を省略する。
次に、 以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造 方法について説明する。
まず、 実施の形態 1の場合と同様にしてフォ トニック結晶構造 2を作 製するが、 この際に円柱状の凹部 9をドライエッチングによりストライ プ構造 1 0の上面の全体に亘つて形成する。 次に、 フォ トニック結晶構 造 2の一部の表面上にストライプ状の上部電極 6を蒸着する。 そして、 共振器を形成するためにス トライプ構造 1 0の両端面をドライエッチ ングで垂直に成形した後、 その両端面にアルミナとアモルファスシリコ ンとからなる絶縁体多層薄膜 1 1を積層させる。 その後、 ドライエッチ ングした溝に沿って素子を分離する。 これにより、 第 1 3図 （ a ) およ び （b ) に示す本実施の形態の半導体発光素子を得ることができる。 なお、 上部電極を形成する工程においては、 凹部 9の内部に電極金属 が回り込むのを防止するために、 全ての電極材料を蒸着させるのではな く、 フォ トニック結晶構造 2上に薄く C r Z P tを堆積させてコンタク ト抵抗を低下させた後に P t / A uからなる金属箔を接着させること により上部電極を形成する。 ところで、 第 6図に示したように凹部 9を 下部クラッ ド層 3の途中まで形成する場合においては、 電極材料が回り 込むことによるリーク電流の増大が著しい。 そこで、 この場合において は、 フォ トニック結晶構造 2の表面に薄く S i 〇2膜を堆積させ、 C H F 3を用いた I C P ドライエッチングで当該 S i O 2膜の平坦部表面の みをエッチングで除去した後に上部電極 6を蒸着させることが好まし い。
以上のようにして製造された半導体発光素子において、 実施の形態 1 の場合と同様に、 上部電極 6 と下部電極 7 との間に電圧を印加すると活 性層 4において誘導放出が起きる。 これにより活性層 4で光が発生する, この光は、 活性層 4内で増幅されると共に、 フォトニック結晶構造 2に おいて、 n型 I n P基板 1に垂直な方向に回折される。 その結果、 フォ トニック結晶構造 2の上部電極 6 と平面視において重ならない領域か ら n型 I n P基板 1に垂直な方向に光が放出される。
以上のように、 ストライプ構造 1 0の上面の全体に亘つてフォ トニッ ク結晶を設けることによって、 半導体発光素子を高速で変調させる場合 においても共振器内に形成される定在波が安定する。 これは、 半導体発 光素子に変調電流を注入した場合、 共振器内部におけるキヤリァ密度の 変動により屈折率が変化するため、 フォ トニック結晶が存在していない 領域では定在波が乱れるためである。 本実施の形態においては、 ストラ ィプ構造 1 0の上面の全体に亘つてフォ トニック結晶構造 2を形成す ることによって、 フォトニック結晶の周期に光の摂動を強制的に同期さ せている。 これにより、 4 0 G H z程度の変調速度の場合においても安 定した発光モードを得ることができることがわかった。 しかし、 共振器 (活性層 4 ) の長さが 1 0 0 m以上と大きくなつた場合には、 共振器 内の光密度に共振器方向の分布が生じることになるため、 動作速度が制 限されるという問題が生じる。 したがって、 本実施の形態では共振器の 長さを 1 0 0 以下にすることが好ましい。
ところで、 閾値電流を低下させることよりもモードの安定性が要求さ れるような場合では、 第 1 4図 （ a ) に示すように、 円柱状の凹部 9の 一部を平板状の ffl部 1 6とすることが好まじい。 第 1 4図 （ a ) では、 上部電極 6が形成されている領域に複数の平板状の凹部 1 6が形成さ れている。 なお、 ここでモ一ドの安定性の評価指標としては偏波面の安 定性までを含めることとする。 第 1 3図 （ a ) に示すような円柱状の凹 部 9を四角格子状に配列してある二次元フォ トニック結晶の場合では、 /3方向 （共振器方向と直交する方向） へも光が結合しているために )3方 向の光分布の変動によって偏波面が回転することとなり、 偏波面が不安 定となる。 これに対して、 平板状の凹部 1 6を設けた場合では、 ）3方向 への自然放出光の摂動は生じず、 α方向 （共振器方向） に進行する波動 しか結合しない。そのため、 自然放出光を十分に利用することができず、 閾値電流は上昇することになる。 しかしながら、 ストライプ構造の厚み 方向において一様な位相で光が摂動を受けることになるため、 偏波面の 回転は生じない。 その結果、 閾値電流は 0 . 1 m A程度となるが、 光出 力強度によらず一定の偏波面を有する出力光を得ることができる。
一方、 光強度よりもモードの安定性が要求される場合には、 第 1 4図 ( b ) および （c ) に示すように、 上部電極 6を 2つに分け、 ストライ プ構造 1 0の中央部を除く両端部に形成する。 これにより、 ストライプ 構造 1 0の中央部が光出力領域となる。 第 1 4図 （ e ) に示すように強 い出力光を得るためには、 共振器内の光強度が大きくなる反射面の近傍 から光を取り出すことが望ましい。 しかしながら、 端面の近傍では、 端 面に近づくにしたがって光強度が急激に大きくなるためにホールバー ニングが生じて偏波面が不安定になるという問題があった。 そこで、 第 1 4図 （b ) および （ c ) に示すように発光領域を共振器 （活性層 4 ) の中央に設けることによって、 フォ トニック結晶が存在する領域は光強 度の弱い領域となるが、 ホールバーニングが生じないためにモードが安 定化する。
さらに、 偏波面の安定性を向上させるために、 第 1 4図 （d ) に示す ようにス トライプ構造の上面の全体に亘つて平板状の凹部 1 6を設け るようにしてもよい。 しかしながら、 このような構成の場合では偏波面 は一定となるが、 出力光が共振器内の光と十分に結合することができず. しかも自然放出光を有効に利用することができないため、 光出力は低下 する。
本実施の形態では、 円柱状または平板状の凹部によりフォ トニック結 晶構造を構成しているが、 円柱状または平板状の凸部によりフォ トニッ ク結晶構造を構成するようにしてもよい。 本実施の形態で凸部ではなく 凹部としたのは、 凹部の方がドライエッチングによるダメージを抑制す ることができ、 しかもフォ トニック結晶の上に電極を形成する場合に凹 部とした方が結晶の表面が連続しているためにより平坦となって電極 を容易に形成できるためである。 特に本実施の形態の場合は、 凸部によ りフォ トニック結晶構造を構成することとすると、 下部クラッ ド層まで エッチングしたり、 活性層を選択成長させたりしたときに、 凸部の周辺 にも電極金属が蒸着されてしまい短絡を起こすおそれがあるため、 凹部 とすることが好ましい。
(実施の形態 5 )
実施の形態 5では、 フォ トニック結晶構造に位相シフト構造を導入す ることにより発光モ一ドをより一層安定させることができる半導体発 光素子を示す。
第 1 5図は本発明の実施の形態 5に係る半導体発光素子の構成を示 す図であって、 （ a ) はその構成を示す平面図、 （b ) は変形例の構成 を示す断面図、 （ c ) はその半導体発光素子のストライプ構造内部にお ける光強度の変化を示す図である。
第 1 5図 （ a ) に示すように、 上部電極 6は、 上部クラッ ド層 5の両 端部の上面に形成されており、 上部クラッ ド層 5の中央部には形成され ていない。 したがって、 本実施の形態の場合はストライプ構造 1 0 (共 振器） の中央部から光が出射することになる。 共振器の中央部以外の領域に位置する共振器方向において隣り合う 凹部 9間の間隔を Lとする。 一方、 共振器の中央部に位置する共振器方 向において隣り合う凹部 9間の間隔を L + λノ 4 nに広げる。 ここで λ は光の波長、 ηは等価屈折率である。 以下では、 このように λΖ4 ηだ け凹部 9間の間隔を広げた構造のことを λΖ4 ηシフ ト構造と呼ぶ。 なお、 本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については実施 の形態 3の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。 以上のように共振器方向においてえ / 4 ηシフ ト構造を導入するこ とによって左向きの波動と右向きの波動とが力ップリングし、 第 1 5図 ( c ) に示すように、 共振器の中央部における光強度が増大することに なる。 その結果、 光は出射する領域の対称性が良くなるため、 光フアイ バとの接合が容易になるという利点がある。 また、 光を出射する領域が 共振器の中央部に位置することによってより強い光出力を得ることが できる。
第 1 6図は本発明の実施の形態 5に係る半導体発光素子の発光状態 を説明するための説明図であり、 （ c ) は第 1 5図 （ a) の a方向 （共 振器方向） におけるフォ トニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの 関係を示す図であり、 （b) は同じく i3方向 （共振器方向と直交する方 向） におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を 示す図である。
前述したように左向きの波動と右向きの波動とが力ップリングして 得られる光のエネルギーは、 第 1 6図 （ a) に示すように λ Ζ4 ηシフ トを起源とする格子欠陥が導入された場合と等価となり、 フォトニック バンドギヤップ内に、 欠陥順位と対応する光のエネルギーレベルが形成 される。 λ Ζ4 ηシフト構造を導入した場合、 格子欠陥に対応するエネ ルギ一は n e f f · ω。Ζ ο = πΖΛにより求められる値となる。 したが つて、 このエネルギーは、 フォ トニックパンドギャップエネルギーの中 心のエネルギーに対応することになる。 また、 フォ トニックパンドギヤ ップのエネルギーは、 実施の形態 4において第 1 4図 （b ) に示したよ うな凹部 9が等間隔に四角格子状に配列された場合の Δ ω = 2 k c / n e f iの 2倍となる。 このように等間隔に四角格子状に配列された場合 では、 第 1 0図 （ a ) に示すように高工ネルギ一端と低エネルギー端と で発光する可能性があるが、 λ Ζ 4 ηシフト構造を導入することにより 最も発光しやすいフォ トニックバンドギャップの中央で発光すること になる。 また、 え / 4 ηシフ ト構造の場合、 欠陥の高エネルギー側も低 エネルギー側もフォ トニックバンドギヤップ内に位置するため、 第 7図 ( b ) に示した片側にフォトニックバンドギヤップが形成されないよう な均一格子構造の場合と比べてより強く光が摂動を受けることになる。 したがって、 大きな Q値を持ち、 半値幅が小さく、 大きな強度の自然放 出光の特定モードによる増幅が可能となる。
本実施の形態において自然放出光の波長と欠陥準位とがー致した場 合には、 強い摂動による発光が実現されることが分かった。 α方向およ び )3方向における周期 （隣り合う凹部間の間隔） を調整することによつ て、 横方向 （共振器方向と直交する方向） にはフォ トニックバンドギヤ ップ内に自然放出光レベルを存在させることができるようになる。 その 結果、 横方向における光の伝播が不可能となり、 共振器方向に単一モー ドの発光が観測されることになる。
なお、 フォトニック結晶構造 2は、 前述したように円柱状の凹部 9で 構成されてもよいが、 第 1 5図 （b ) に示すように平板状の凹部 1 6で 構成されていてもよい。 平板状の凹部を用いた場合、 閾値電流が大きく 光出力の強度が大きくなるとともに、 偏波面の安定性が高くなるという 特徴がある。
(実施の形態 6 )
実施の形態 6では、 フォ 卜ニック結晶構造を有したス卜ライプ構造を 直交させて設けることにより発光モードをより一層安定させることが できる半導体発光素子を示す。
第 1 7図は本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子について説 明するための図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成を示す平 面図、 （b) はその半導体発光素子の動作原理を示す図、 （ c ) は電界 の挙動を示す図である。
本実施の形態の場合、 他の実施の形態におけるストライプ構造と同様 な構造が 2つ設けられ、 それらの構造は直交して配置されている。 より 具体的には、 第 1 7図 （ a) に示すように、 他の実施の形態と同様にフ オ トニック結晶構造を有しているス トライプ構造 1 0 Aおよびス トラ ィプ構造 1 0 Bを備えており、 これらのストライプ構造 1 0 Aとストラ ィプ構造 1 0 Bとは直交するように 方向、 ]3方向 （ α方向と直交する 方向） にそれぞれ配置されている。 また、 ストライプ構造 1 0 Αとスト ライプ構造 1 0 Bとが交差している領域 Bには上部電極 6が形成され ておらず、 それ以外の領域 A上に上部電極 6が形成されている。
なお、 本実施の形態のその他の構成については実施の形態 1の場合と 同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
次に本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。 第 1 9図は本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の製造方法を説 明するための説明図であって、 （ a) はその半導体発光素子の構成を示 す断面図、 （b) から （d) はその半導体発光素子の構成を示す平面図 である。
実施の形態 1において第 5図 （ a) を参照して前述したように、 n型 I n P基板 1上に、 S i をドーピングした n型 I n P下部クラッ ド層 3 (厚み 1 0 0 n m) 、 アンドープの活性層 4 (厚み 1 4 n m) 、 および Z nをドーピングした p型 I n P上部クラッ ド層 5 (厚み 5 0 nm) を MOV P E法などの公知の結晶成長方法によりェピタキシャル成長さ せる （第 1 9図 （ a) ) 。
次に、実施の形態 1 と同様に、 S i 〇2膜をエッチングマスクとして、 C 1 2ガスおよび C H4ガスを用いて円形状に I C P ドライエッチング することにより複数の円柱状の凹部 9を形成する。 この場合、 第 1 9図 (b) に示すとおり、 各凹部 9は四角格子状に並ぶように形成され、 し かもそれらの凹部 9が十字状となるように配列される。 これらの複数の 凹部 9が配列された領域がフォ トニック結晶構造となる。
次に、 実施の形態 1 と同様に、 ストライプ構造を形成するために、 P 型 I n P上部クラッ ド層 5から n型 I n P基板 1の一部までを燐酸系 エツチャントでエッチングする （第 1 9図 （ c ) ) 。 そして、 第 1 9図 ( d ) に示すように、 上部電極 6として C r ZP t ZA u電極を p型 I n P上部クラッ ド層 5の表面に、 下部電極 （図示せず） として A u— S n電極を n型 I n P基板 1の裏面にそれぞれ蒸着させる。 この場合、 上 部電極 6は、 p型 I n P上部クラッ ド層 5の表面であって、 十字の交差 部分以外の領域に形成させるために、 リフトオフにより成形される。 こ れによりストライプ構造 1 0 Aおよびそのス トライプ構造 1 0 Aと直 交するストライプ構造 1 0 Bが作製される。
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することが できる。
次に本実施の形態の半導体発光素子の動作原理について第 1 7 図 (b) を参照して説明する。 第 1 7図 （b) において縦軸はエネルギー を、 横軸は波数をそれぞれ示している。 ストライプ構造 1 0 Aおよび 1 0 Bが交差している領域 B以外の領域 Aにおいては、 共振器方向にモー ドが局在するため、 縮退が解けて、 高エネルギー端が 2つのパンドにス ブリッ トする。 一方、 ストライプ構造 1 0 Aおよび 1 0 Bが交差してい る領域 Bにおいては、 ひ方向と j3方向とが対称であるため、 1つのエネ ルギー準位に縮退する。 ここで、 領域 Aにおける光が領域 Bに入射した 場合、 領域 Aの低エネルギー側の光 A 1は領域 Bのパンドギヤップ内に 位置するために伝播できず、 その結果放射モードとなる。 一方、 高エネ ルギー側の光 A 2は領域 Bを通過するために増幅される。 領域 Bの回折 効率 κおよび周期 Λを調節することによって得られた領域 B ' において. 領域 Aの光 A 2 と領域 Bの高エネルギー端のエネルギーとが一致する ようにすると、 領域 Aの光 A 2のみが増幅され、 外部に取り出されるこ とになる。 この場合の電界の挙動は、 第 1 7図 （ c ) に示すように α方 向の電場の変動と；3方向の電場の変動とが直交することにより、 光の周 波数で偏波面が回転することになる。 通常の観測では、 電場が直交して おり、 磁場と電場とが重なって観測されることになる。 その結果、 電場 の方向は共振器方向、 すなわちフォ トニック結晶構造の周期ボインティ ングベク トルの方向となる。 通常のフォ トニック結晶素子の場合には、 電場が周期ポインティ ングべク トルからずれることが問題となってい るが、 本実施の形態の場合ではボインティ ングべク トルの方向に直交す る電場が存在することが分かった。
なお、 本実施の形態の半導体発光素子は、 実施の形態 3において第 1 4図 （ a ) から （ d ) を参照して前述したような種々の構成を応用する ことができる。
第 1 8図は、 本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の変形例の 構成を示す図であって、 （ a ) はその変形例の構成を示す平面図、 （b ) は他の変形例の構成を示す平面図である。 第 1 8図 （ a ) に示す変形例 では、 ストライプ構造 1 0 Aおよび 1 0 Bの領域 Aにおけるフォトニッ ク結晶構造が平板状の凹部 1 6によって構成されている。 また、 第 1 8 図 （b ) に示す変形例では、 ストライプ構造 1 O Aの領域 Aにおけるフ オトニック結晶構造は円柱状の凹部 9によって構成されており、 ストラ イブ構造 1 0 Bの領域 Aにおけるフォ トニック結晶構造は平板状の凹 部 1 6によって構成されている。 このように構成した場合、 領域 Aにお ける光（第 1 7図（b) における A 1 ) の発光が抑制されることになる。 また、 第 2 0図 （ a ) から （ d) は、 本発明の実施の形態 6に係る半 導体発光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。 第 2 0図 （ a) に示す変形例では、 光出力領域となる領域 Bにおいて、 平面視で平方格 子状の凹部 1 9が形成されている。 また、 第 2 0図 （ b ) に示す変形例 では、 同じく領域 Bにおいて、 平面視で四角管状の凹部 2 0が入れ子状 に形成されている。 このような構成の場合でもボインティングベク トル の回転が抑制されることが分かった。 特に、 共振器構造を形成するスト ライプ構造の外部に漏れ出す自然放出光を抑制するために、 ストライプ 構造の外部に発光波長がフォ トニックバンドギャップ内になるように 周期を調整した円柱状の凹部を形成することによって、 発光効率を増大 することができた。
また、 第 2 0図 （ c ) に示す変形例においては、 発光波長がフォ ト二 ックバンドギャップ内に存在するフォ トニック結晶構造が共振器 （スト ライプ構造 1 0 Aおよび 1 0 B) の周囲に形成されている。 この場合に は共振器端面に高反射膜を形成する必要がないという利点がある。 第 2 1図にこのような変形例の製造方法を示している。
第 2 1図は本発明の実施の形態 6に係る半導体発光素子の変形例の 製造方法を説明するための説明図であって、 （ a) はその変形例の構成 を示す断面図、 （b) から （d) はその変形例の構成を示す平面図であ る。
実施の形態 1において第 5図 （ a) を参照して前述したように、 n型 I n P基板 1上に、 S i をドーピングした n型 I n P下部クラッ ド層 3 (厚み 1 0 0 nm) 、 アンドープの活性層 4 (厚み 1 4 nm) 、 および Z nをドーピングした p型 I n P上部クラッ ド層 5 (厚み 5 0 nm) を M〇 V P E法などの公知の結晶成長方法によりェピタキシャル成長さ せる （第 2 1図 （ a) ) 。 次に、 十字状となるように、 複数の平板状の凹部 1 6および円柱状の 凹部 9を並べて形成する。 具体的には、 第 2 1図 （ b ) に示すように、 十字状の交差領域には円柱状の凹部 9を四角格子状に配列し、 その他の 領域には平板状の凹部 1 6を所定の間隔で配列する。 そして、 このよう にして得られた十字状の領域の周囲には、 当該十字状の領域を取り囲む ように、 円柱状の反射用凹部 2 1が四角格子状に形成されている。
次に、 第 2 1図 （ c ) に示すように、 平板状の凹部 1 6および円柱状 の凹部 9により構成される十字状の領域を取り囲むように、 分離溝 2 2 を形成する。 そして、 第 2 1図 （d ) に示すように、 十字状の交差領域 以外の領域に上面電極を蒸着させる。
以上の工程により、 第 2 0図 （ c ) に示すような本実施の形態の半導 体発光素子の変形例を製造することができる。
以上で説明した本実施の形態およびその変形例におけるフォ トニッ ク結晶は、 凹部を平方格子または長方格子状に配列することにより構成 されているが、 第 2 0図 （d ) に示すように凹部を三角格子状に配列す ることにより構成するようにしてもよい。 この場合には 3つのストライ プ構造 1 0 A、 1 0 B、 1 0 Cが設けられることになり、 各ストライプ 構造 1 0 A、 1 0 B、 1 0 Cは 6 0 ° の角度で交差することになる。 そ のため、 交差領域は六角形状となる。 ところで、 この場合、 共振器方向 が 3つあるために 3重縮退していることになる。 そのため、 フォ トニッ クパンドギャップの構造が複雑となり、 設計が困難であるという問題が ある。 ただし、 発光領域の大部分からの自然放出光を利用することがで きるため、 高出力発光素子を実現できるという利点がある。
上記説明から、 当業者にとっては、 本発明の多くの改良や他の実施形 態が明らかである。 従って、 上記説明は、 例示としてのみ解釈されるべ きであり、 本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供 されたものである。 本発明の精神を逸脱することなく、 その構造及び Z 又は機能の詳細を実質的に変更できる。
〔産業上の利用の可能性〕
本発明に係る半導体発光素子は、 光通信システムなどに用いられる半 導体発光素子として有用である。 また、 本発明に係る半導体発光素子の 製造方法は、 光通信システムなどに用いられる半導体発光素子の製造方 法として有用である。

Claims

請求の範囲
1 . 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、 下部クラッ ド層、 前記半導体基板に 対して平行な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラッ ド層 を含む半導体積層体と
前記上部クラッ ド層に接続され、 共振器方向に延びるストライプ状の 上部電極と、
前記下部クラッ ド層に接続される下部電極とを備え、
前記半導体積層体は、 複数の凹部または凸部が共振器方向に周期的に 配列されたフォ トニック結晶構造を有し、
前記フォ トニック結晶構造は、 平面視において、 少なくとも一部が前 記上部電極と重ならず、 しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように 形成されており、
前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合に、 前記フォ トニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならな い領域から光を放射する、 半導体発光素子。
2 . 前記凹部または凸部は、 前記上部クラッ ド層に形成されている 請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
3 . 前記凹部または凸部は、 前記上部クラッ ド層、 前記活性層、 お よび前記下部クラッ ド層に亘つて形成されている請求の範囲第 1項に 記載の半導体発光素子。
4 . 前記凹部または凸部の形状が円柱状である請求の範囲第 1項に 記載の半導体発光素子。
5 . 前記凹部または凸部の形状が平板状である請求の範囲第 1項に 記載の半導体発光素子。
6 . 前記共振器の幅は 2 /i m以上 1 0 以下である請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
7 . 前記共振器の長さは 2 0 以上 5 0 m以下である請求の範 囲第 1項に記載の半導体発光素子。
8 . 前記共振器方向は < 1 1 0 >方向または <一 1 1 0〉方向であ る請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
9 . 前記凹部または凸部は四角格子状に配列されており、 前記凹部 または凸部の一の配列方向が共振器方向と同一であり、 他の配列方向が 共振器方向と直交している請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
1 0 . 前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔 と、 前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異 なる請求の範囲第 9項に記載の半導体発光素子。
1 1 . 前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔 は、 前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べ て大きい請求の範囲第 1 0項に記載の半導体発光素子。
1 2 . 前記半導体積層体の両端面には反射膜が形成されている請求 の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
1 3 . 前記半導体積層体の周囲には所定の間隔で配列された複数の 凹部または凸部からなるフォ トニック結晶構造が形成されている請求 の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
1 4 . 前記凹部または凸部は前記半導体積層体の上面の全面に亘っ て形成されている請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
1 5 . 前記フォ トニック結晶構造の平面視において前記上部電極と 重ならない領域は、 前記半導体積層体の中央部である請求の範囲第 1 4 項に記載の半導体発光素子。
1 6 . 共振器方向において隣り合う凹部または凸部のうちの一部の 凹部または凸部間の間隔が、 他の凹部または凸部間の間隔と比べて、 波 長ノ （実効屈折率 X 4 ) だけ大きい請求の範囲第 1項に記載の半導体発 光素子。
1 7 . 複数の前記半導体積層体を備え、
前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置されてい る請求の範囲第 1項に記載の半導体発光素子。
1 8 . 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された下部クラッ ド 層、 前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラッ ド層を含む半導体積層体と、 前記上部クラッ ド層に接 続される上部電極と、 前記下部クラッ ド層に接続される下部電極とを備 え、 前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成さ れている半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体基板上に前記半導体積層体をェピタキシャル成長させる 工程と、
前記半導体積層体にエッチングを施すことにより、 共振器方向に周期 的に配列された複数の凹部から構成されるフオ トニック結晶構造を形 成する工程と、
平面視において、 前記フォ トニック結晶構造の少なく とも一部とは重 ならず、 しかも前記フォ トニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、 共振器方向に延びるストライプ状の前記上部電極を前記上部クラッ ド 層上部に形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の 製造方法。
1 9 . 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された下部クラッ ド 層、 前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、 および上部クラッ ド層を含む半導体積層体と、 前記上部クラッ ド層に接 続される上部電極と、 前記下部クラッ ド層に接続される下部電極とを備 え、 前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成さ れている半導体発光素子の製造方法であって、 前記半導体基板上に前記半導体積層体をェピタキシャル成長させる 工程と、
前記半導体積層体の前記上部クラッ ド層上に結晶を選択成長させる ことにより、 共振器方向に周期的に配列された複数の凹部から構成され るフォ トニック結晶構造を形成する工程と、
平面視において、 前記フォ トニック結晶構造の少なくとも一部とは重 ならず、 しかも前記フォ トニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、 共振器方向に延びるス トライプ状の前記上部電極を前記上部クラッ ド 層上部に形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の 製造方法。
PCT/JP2003/001285 2002-02-08 2003-02-07 Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication de celui-ci WO2003067724A1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003207090A AU2003207090A1 (en) 2002-02-08 2003-02-07 Semiconductor light-emitting device and its manufacturing method
JP2003566952A JP3613348B2 (ja) 2002-02-08 2003-02-07 半導体発光素子およびその製造方法
US10/718,581 US7009216B2 (en) 2002-02-08 2003-11-24 Semiconductor light emitting device and method of fabricating the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002-32073 2002-02-08
JP2002032073 2002-02-08

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US10/718,581 Continuation US7009216B2 (en) 2002-02-08 2003-11-24 Semiconductor light emitting device and method of fabricating the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003067724A1 true WO2003067724A1 (fr) 2003-08-14

Family

ID=27677953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2003/001285 WO2003067724A1 (fr) 2002-02-08 2003-02-07 Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication de celui-ci

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7009216B2 (ja)
JP (1) JP3613348B2 (ja)
CN (1) CN1286228C (ja)
AU (1) AU2003207090A1 (ja)
WO (1) WO2003067724A1 (ja)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006005324A (ja) * 2004-05-19 2006-01-05 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステム
JP2006100776A (ja) * 2004-09-03 2006-04-13 Kyoto Univ 光ピンセット及び２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP2006286888A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Fujitsu Ltd 光半導体素子およびその製造方法
US7248612B2 (en) * 2002-11-22 2007-07-24 Sony Corporation Semiconductor laser device with multi-dimensional-photonic-crystallized region
US7356061B2 (en) 2003-12-24 2008-04-08 Samsung Electronics Co., Ltd Multi-beam semiconductor laser
JP2009094471A (ja) * 2007-10-09 2009-04-30 Seoul Opto Devices Co Ltd ナノパターンを有するレーザーダイオード及びその製造方法
US7940825B2 (en) 2003-11-27 2011-05-10 Ricoh Company, Ltd. Surface-emission laser diode and surface-emission laser array, optical interconnection system, optical communication system, electrophotographic system, and optical disk system
WO2012036300A1 (en) * 2010-09-16 2012-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser
JP2012104524A (ja) * 2010-11-05 2012-05-31 Canon Inc 面発光レーザ
CN109802300A (zh) * 2017-11-16 2019-05-24 株式会社东芝 面发光量子级联激光器
JP2020136557A (ja) * 2019-02-22 2020-08-31 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP2021089966A (ja) * 2019-12-04 2021-06-10 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
JP7477420B2 (ja) 2020-10-02 2024-05-01 浜松ホトニクス株式会社 光導波構造及び光源装置

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7279718B2 (en) * 2002-01-28 2007-10-09 Philips Lumileds Lighting Company, Llc LED including photonic crystal structure
US6831302B2 (en) * 2003-04-15 2004-12-14 Luminus Devices, Inc. Light emitting devices with improved extraction efficiency
US7012279B2 (en) * 2003-10-21 2006-03-14 Lumileds Lighting U.S., Llc Photonic crystal light emitting device
US20050205883A1 (en) * 2004-03-19 2005-09-22 Wierer Jonathan J Jr Photonic crystal light emitting device
US7582910B2 (en) * 2005-02-28 2009-09-01 The Regents Of The University Of California High efficiency light emitting diode (LED) with optimized photonic crystal extractor
US7119377B2 (en) * 2004-06-18 2006-10-10 3M Innovative Properties Company II-VI/III-V layered construction on InP substrate
US7442964B2 (en) * 2004-08-04 2008-10-28 Philips Lumileds Lighting Company, Llc Photonic crystal light emitting device with multiple lattices
EP1879272A4 (en) * 2005-04-28 2008-06-18 Rohm Co Ltd PHOTONIC CRYSTAL LASER
CN100370633C (zh) * 2005-06-10 2008-02-20 厦门大学 在发光二极管中制备光子晶体的方法及其装置
US8163575B2 (en) * 2005-06-17 2012-04-24 Philips Lumileds Lighting Company Llc Grown photonic crystals in semiconductor light emitting devices
US7480424B2 (en) * 2005-09-19 2009-01-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Method and apparatus for modifying an electromagnetic radiation beam
US8098971B2 (en) * 2005-09-19 2012-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Method and apparatus for electromagnetic resonance using negative index material
US20070147761A1 (en) * 2005-10-07 2007-06-28 Kwakernaak Martin H Amorphous silicon waveguides on lll/V substrates with barrier layer
CN100357092C (zh) * 2005-10-20 2007-12-26 南京大学 聚合物的表面亚微米二维布拉维点阵和链阵列制备方法
JP4793820B2 (ja) * 2006-03-20 2011-10-12 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP5118544B2 (ja) * 2007-05-15 2013-01-16 キヤノン株式会社 面発光レーザ素子
JP4338211B2 (ja) 2007-08-08 2009-10-07 キヤノン株式会社 フォトニック結晶を有する構造体、面発光レーザ
US7546017B2 (en) * 2007-09-28 2009-06-09 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electro-photonic modulators
US8378567B2 (en) * 2007-11-21 2013-02-19 Industrial Technology Research Institute Light-polarizing structure
US7912106B2 (en) * 2007-12-05 2011-03-22 International Business Machines Corporation Enhanced surface-emitting photonic device
TWI408832B (zh) * 2009-03-30 2013-09-11 Huga Optotech Inc 具有中空結構之柱狀結構之發光元件及其形成方法
JP4975130B2 (ja) * 2009-05-07 2012-07-11 キヤノン株式会社 フォトニック結晶面発光レーザ
EP2387081B1 (en) * 2010-05-11 2015-09-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor light emitting device and method for fabricating the same
CN102509731B (zh) * 2011-12-28 2013-09-11 厦门市三安光电科技有限公司 交流式垂直发光元件及其制作方法
US9042418B2 (en) * 2013-02-11 2015-05-26 California Institute Of Technology III-V photonic crystal microlaser bonded on silicon-on-insulator
JP6309947B2 (ja) 2013-04-26 2018-04-11 浜松ホトニクス株式会社 半導体レーザ装置
US9793681B2 (en) 2013-07-16 2017-10-17 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor laser device
WO2015129668A1 (ja) * 2014-02-28 2015-09-03 国立研究開発法人科学技術振興機構 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶
GB201607996D0 (en) 2016-05-06 2016-06-22 Univ Glasgow Laser device and method for its operation
DE102016014938B4 (de) * 2016-12-14 2019-06-27 Forschungsverbund Berlin E.V. Lichtemittervorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung
CN109167255A (zh) * 2018-11-12 2019-01-08 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置
DE102021134114A1 (de) 2021-12-21 2023-06-22 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Photonischer halbleiterlaser
CN114400506B (zh) * 2022-01-17 2024-01-12 光为科技(广州)有限公司 半导体激光器及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63111689A (ja) * 1986-10-29 1988-05-16 Mitsubishi Electric Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
JPS63177494A (ja) * 1987-01-17 1988-07-21 Mitsubishi Electric Corp 波長多重光源
JPH01105590A (ja) * 1987-10-16 1989-04-24 Toshiba Corp 分布帰還型半導体発光素子
JP2000162459A (ja) * 1998-11-27 2000-06-16 Atr Adaptive Communications Res Lab フォトニック結晶とその製造方法
JP2000332353A (ja) * 1999-05-14 2000-11-30 Shimadzu Corp 面発光型半導体レーザ装置
JP2001308457A (ja) * 2000-04-24 2001-11-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体面発光素子
JP2001308452A (ja) * 2000-04-25 2001-11-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6674778B1 (en) * 2002-01-09 2004-01-06 Sandia Corporation Electrically pumped edge-emitting photonic bandgap semiconductor laser
US6728457B2 (en) * 2002-07-10 2004-04-27 Agilent Technologies, Inc. Waveguides in two dimensional slab photonic crystals with noncircular holes

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63111689A (ja) * 1986-10-29 1988-05-16 Mitsubishi Electric Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
JPS63177494A (ja) * 1987-01-17 1988-07-21 Mitsubishi Electric Corp 波長多重光源
JPH01105590A (ja) * 1987-10-16 1989-04-24 Toshiba Corp 分布帰還型半導体発光素子
JP2000162459A (ja) * 1998-11-27 2000-06-16 Atr Adaptive Communications Res Lab フォトニック結晶とその製造方法
JP2000332353A (ja) * 1999-05-14 2000-11-30 Shimadzu Corp 面発光型半導体レーザ装置
JP2001308457A (ja) * 2000-04-24 2001-11-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体面発光素子
JP2001308452A (ja) * 2000-04-25 2001-11-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAPP THOMAS D. ET AL.: "Single-mode operation of coupled-cavity lasers based on two-dimensional photonic crystals", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 79, no. 25, 2001, pages 4091 - 4093, XP001091934 *
MOOSBURGER J. ET AL.: "Nanofabrication techniques for lasers with two-dimensional photonic crystal mirrors", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY B, vol. 18, no. 6, 2000, pages 3501 - 3504, XP002968866 *
PAINTER O. ET AL.: "Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser", SCIENCE, vol. 284, 11 June 1999 (1999-06-11), pages 1819 - 1821, XP002960722 *
TOSHIHIKO BABA: "Photonic kessho hakko sosi no genjo", OPTRONICS, no. 235, 2001, pages 192 - 196, XP002968865 *

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7248612B2 (en) * 2002-11-22 2007-07-24 Sony Corporation Semiconductor laser device with multi-dimensional-photonic-crystallized region
US7879628B2 (en) 2002-11-22 2011-02-01 Sony Corporation Semiconductro laser device
US7940825B2 (en) 2003-11-27 2011-05-10 Ricoh Company, Ltd. Surface-emission laser diode and surface-emission laser array, optical interconnection system, optical communication system, electrophotographic system, and optical disk system
US7356061B2 (en) 2003-12-24 2008-04-08 Samsung Electronics Co., Ltd Multi-beam semiconductor laser
JP2006005324A (ja) * 2004-05-19 2006-01-05 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステム
JP2006100776A (ja) * 2004-09-03 2006-04-13 Kyoto Univ 光ピンセット及び２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP2006286888A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Fujitsu Ltd 光半導体素子およびその製造方法
JP4634847B2 (ja) * 2005-03-31 2011-02-16 富士通株式会社 光半導体素子およびその製造方法
JP2009094471A (ja) * 2007-10-09 2009-04-30 Seoul Opto Devices Co Ltd ナノパターンを有するレーザーダイオード及びその製造方法
JP2012064749A (ja) * 2010-09-16 2012-03-29 Canon Inc ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
WO2012036300A1 (en) * 2010-09-16 2012-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser
US8855158B2 (en) 2010-09-16 2014-10-07 Canon Kabushiki Kaisha Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser
JP2012104524A (ja) * 2010-11-05 2012-05-31 Canon Inc 面発光レーザ
CN109802300A (zh) * 2017-11-16 2019-05-24 株式会社东芝 面发光量子级联激光器
JP2019091839A (ja) * 2017-11-16 2019-06-13 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN109802300B (zh) * 2017-11-16 2021-05-14 株式会社东芝 面发光量子级联激光器
JP2020136557A (ja) * 2019-02-22 2020-08-31 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP7306675B2 (ja) 2019-02-22 2023-07-11 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP2021089966A (ja) * 2019-12-04 2021-06-10 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
JP7314037B2 (ja) 2019-12-04 2023-07-25 浜松ホトニクス株式会社 半導体発光素子
JP7477420B2 (ja) 2020-10-02 2024-05-01 浜松ホトニクス株式会社 光導波構造及び光源装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN1286228C (zh) 2006-11-22
AU2003207090A1 (en) 2003-09-02
CN1602569A (zh) 2005-03-30
US20040135155A1 (en) 2004-07-15
US7009216B2 (en) 2006-03-07
JP3613348B2 (ja) 2005-01-26
JPWO2003067724A1 (ja) 2005-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3613348B2 (ja) 半導体発光素子およびその製造方法
JP3983933B2 (ja) 半導体レーザ、および半導体レーザの製造方法
JP5177285B2 (ja) 光素子及びその製造方法
JP2959902B2 (ja) 半導体レーザとそれを有する装置とその製造方法
US8040928B2 (en) Semiconductor laser, method for generating laser beam and method for reducing a spectral line-width of laser beam
JP5182362B2 (ja) 光素子及びその製造方法
WO2005086302A1 (ja) ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
JP4445292B2 (ja) 半導体発光素子
JP5147041B2 (ja) フォトニック結晶光素子
JPH0348476A (ja) 半導体光素子
JP2008098379A (ja) ２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法
CN112310808A (zh) 一种多波长的半导体激光器结构及制备方法
JP2003198057A (ja) 半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2002305350A (ja) 分布帰還型半導体レーザ素子及びその作製方法
US6826216B2 (en) Semiconductor laser and method of production thereof
JP3857141B2 (ja) 光半導体装置及びその製造方法
JPS6328520B2 (ja)
JP4984514B2 (ja) 半導体発光素子および該半導体発光素子の製造方法
JPH055391B2 (ja)
WO2020181497A1 (zh) 双腔dfb激光器芯片、光发射组件、光模块及光网络装置
JPH03268379A (ja) 半導体レーザ・チップおよびその製造方法
CN112636166B (zh) 一种可调谐单纵模激光器及其制备方法
JPS6215879A (ja) 半導体レ−ザアレイ装置
JPH0449274B2 (ja)
JP2004087564A (ja) 半導体レーザ素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)

Free format text: EXCEPT/SAUF US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10718581

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2003566952

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 20038013282

Country of ref document: CN

122 Ep: pct application non-entry in european phase